城市轨道交通大型地下空间结构抗震性能分析

1、城市轨道交通大型地下空间结构抗震性 能分析丁德云赵继北京九州一轨隔振技术有限公司北京城建设计发展 集团股份有限公司摘要：以某城市轨道交通大型地下空间结构工程为背景，研宄和分析大型地下空间结 构在设防地震和罕遇地震作用下的结构抗震性能。利用midas/gts大型有限元程 序建立三维动力模型，采用吋程分析法，获得了结构的变形和内力响应，分析 丫结构的层间位移差、层间位移角和结构静动力力学特性。基于场地条件k的大 型地下空间结构，在设防地震下顶底板处层间位移差最大值为12. 00mm，位移 角最大值为1/20831/550;在罕遇地震下顶底板处层间位移差最大值为21. 82mm, 位移角最大值为1/

2、11451/250，总体上满足结构变形要求。研究结果表明：对于 大型地下空间结构，在进行结构设计时，除了静力计算工况，应综合考虑抗震 工况，开展三维动力时程分析，以便全面掌握其抗震性能;在地震作用下，结构 顶板、侧墙和底板等某些部位的内力值较静力计算工况大;大型地下空间主体结 构开口处为薄弱环节，应在设计中进行和关加固措施考虑。关键词：城市轨道交通;人型地卜空间结构;抗震性能;三维时程分析;层间位移角;作者简介：丁德云，男，博士，高级工程师，主要从事城市轨道交通工程设计、 抗震及运营环境影响研宄。e-mail:dyding2301163. com。收稿日期：2016-07-05基金：北京市科学

3、技术委员会科技新星计划(z161100004916054)seismic performance analysis of large underground urban rail transit structuresding deyun zhao jibeijing jiuzhouyigui shock & vibration isolationtechnology co.，ltd. ; beijing urban construction design & development group co. lid.;abstract：with the rapid developme

4、nt of urban rail transit in china，a number of large underground structures have been built and have drawn growing concern regarding the adequacy of their earthquakeresistance. approaching large underground structures from the engineering perspective, in this paper, we investigate the seismic charact

5、eristics of large underground structures with respect to their design in response to high-level earthquake activity. first, we establishedthree-dimensional dynamic models using the finite element program midas/gts. using the time history analysis method, we obtained the deformation and internal forc

6、es responses of a large underground structure. we analyzed the relative displacements and drift angles of the floors of this structure and compared the mechanical properties of the main structural components under earthquake and non-earthquake conditions. our research results show that, during the d

7、esign phase, the seismic performance of large underground urban rail transit structures should be analyzed. wc recommend that designers undertake three-dimensional dynamic time history analyses to more fully understand future seismic performance. under earthquake loads, the internal forces at some p

8、arts of the top plates, base plates, and side walls are greater than those in static conditions. the openings of the main structure of large underground spaces arc inherently weak, so appropriate reinforcement measures should be considered during the design process.keyword：urban rail transit; large

9、underground space structure; seismic performance; three-di mensional time history analysis; story drift angle;received： 2016-07-05丁德云，赵继.城市轨道交通大型地下空间结构抗震性能分析j.地震工程学报， 2017, 39 （增刊）:224-231. doi:10. 3969/j. issn. 1000-0844. 2017.增刊.224ding deyun, zhao ji. seismic performance analysis of large undergr

10、ound urban rail transit structuresj. china earthquake engineering journal, 2017, 39 (supp.) :224-231. doi: 10. 3969/j. issn. 1000-0844.2017. supp. 2240引言城市轨道交通工程作为城市生命线工程的重耍组成部分，自2008年汶川地震后, 其抗震性能问题越来越受到关注。特别是在住建部发布建质2011 13号文件市 政公用设施抗震设防专项论证技术要点（地下工程篇）发布后，越来越重视地 下结构的抗震性能分析与验算。城市轨道交通相关的抗震设计规范陆续实施 1-

11、4,诸如上海地标dg/tj08-2064-2009、北京地标db11/995-2013和国标 gb50909-2014等，对于地下结构的抗震设计具有整体和方向性的指导意义。由 于我国地下结构抗震设计起步比较晚，相关理论技术研究相对落后5-9。随着国内城市轨道交通的快速建设，越来越多的大型地下结构随之出现，诸如 双线或三线换乘车站、与之相连的地下空间的一体化开发等。鉴于我国是个地震 多发的国家，大型地下结构多数位于高烈度区域，其抗震问题口益受到高度重 视10-15。在城市轨道交通工程的设计中，地下结构的抗震性能验算是必不可 少的一项工作m而目前w内对于大型地下空间结构抗震性能的研宄和工程设 计经

12、验甚少。本文以某城市轨道交通大型地下空间结构工程为背景，建立三维空间有限元模 型，采用时程分析方法，研究和分析大型地下结构在设防地震和罕遇地震作用 下的结构抗震性能，以期为大型地下空间结构的抗震性能设计提供参考。1工程概况1.1结构概况某城市轨道交通大型地下空间结构工程主要包括地铁1号线车站、2号线车站、 街道下穿隧道以及环岛内的地下空间结构，单层建筑而积为4. 8万m。整个结构 为地下三层结构，其中地下三层作为2号线车站站台层和地下停车场，地下二 层作为1号线站台层、街道下穿隧道以及地下停车场，地下一层结构作为1号线 站厅层和地下商业开发。1号线和2号线在平面上呈“t”型换乘。地下一层顶 板

13、上有4处开门设置下沉广场（图1）。车站的覆土平均厚度为3m。地k空间结 构形式采用箱型框架结构，大量的纵横梁和中柱构成庞大的结构体系，基础型 式采用桩筏基础。顶梁的尺寸主耍为1 300 mmx 1 700 mm,底梁的尺寸主要为2 200 mmx2 200 mm,中梁的尺寸主要为900 mmx900 mm,中柱的主要尺寸为ol 000和o 1 200mm,桩的直径为02 000mm,桩长30nu地下空间顶板厚度为700mm, 屮楼板厚度为400mm，底板厚度主要为1 100 mm,详细尺寸见图1。1.2工程地质地下空间结构工程场地地层主要由人工堆积杂填土（q）、粉质粘土（q）、全风 化泥岩（k

14、）和强风化泥岩（k）组成，见图2。结构底板主要位于强风化泥岩 中。1.3场地地震动参数地下空间结构工程场地土类型为中软土，场地类别ii类，抗震设防烈度为vh度， 设计基本地震加速度值为0. 10g，设计地震分组第一组，反应谱特征周期为 0.35s。场地不存在液化土层，故不考虑液化对工程的影响。2三维有限元动力模型采用midas/gtsnx软件进行三维数值模拟分析，探讨地下空间结构地震响应特 性。2.1模型与参数根据分析需要,模型的尺寸xxyxz=630 mx550mx110m,模型节点数108 000 个，单元数510 000个（图3）。模型中，土体从地表往下分成4层，采用四面 体单元模拟，地

15、层为成层水平分布，土体物理力学参数见表1。车站主体均采用 板单元模拟，车站梁、柱和桩均采用梁单元模拟，参数见表2。在模型中，上边 界为自由地表，侧面限制水平移动，底部限制垂直移动。图2地质剖面图下载原图2.2边界处理为避免应力波在模型边界上发生发射而使结果失真，在三维模型中采用人工边 界来进行处理。粘弹性人工边界可以方便地与有限元法结合使用，只需在有限元 模型中人工边界节点的法向和切向分别设置弹簧元件和阻尼元件根据 式（1） （4）计算弹簧系数和单位面积阻尼系数：表1地层及边界参数下载原表图3三维有限元模型下载原图表2结构物理力学参数下载原表式屮：a为系数，一般取a=l;e为介质弹性模量;av

16、、ah分别为介质边界竖向和 水平方向的截面积;g、cs分别为阻尼系数；p为介质密度；a为lam6系数;g为 介质剪切模量;c,、分别为压缩波、剪切波单位面积阻尼系数;a为人工边界节 点代表的面积。表1中给出了模型中的弹簧系数和单位面积阻尼系数。2.3阻尼特性rayleigh阻尼是广泛采用的一种正交阻尼，其数学表达式为：式中:c、m和k分别为体系的阻尼矩阵、质量矩阵和刚度矩阵；a和p为阻尼常 数。根据振型正交条件，阻尼常数a和p与各阶振型阻尼比l之间的关系如下:式中:fk分别为第k阶模态的固有频率。对于粉质黏土，其阻尼比一般不超过0.05，而卵石的阻尼比一般为0.0广0.03。 在模型屮，选择所

17、关心的最小频率lllz和最大频率15 llz方式下的阻尼比均为 0.04，利用公式（6）求得阻尼常数u=4. 71e-01和p=7. 96e-04。2.4荷载及求解在模型中，吋程动力方程可表达为:式中:m、c和k分别为体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；和u （t）分别为加速度向量、速度向量和位移向量;ft为地震荷载。选取e2和e3地震作用下各3组人工模拟地震波作为模型地震荷载（图4）。针 对每组地震波，加载主方向为x轴、y轴和与x轴逆时针呈45° （简称45° ）三 个方向，共18种荷载计算工况。考虑三向同时输入，水平主向/水平次向/竖向 的比值为 1.00:0. 85:

18、0.70。在mtdas/gts中，采用newmark-p法的平均常加速度进行求解。积分时间步长 0.02s，计算的总时间取为30s。3结构变形响应分析3. 1结构水平位移当地震波沿x轴方向施加时，e2和e3地震作用下地下空间结构水平位移最人值 分别为51. 63mm和94. 08mm （图5），变形最大位置发生在6号线车站部分卜沉 广场附近的侧墙顶部位置。当地震波沿y轴方向施加时，e2和e3地震作用下地下空间结构水平位移最大值 分别为53. 07mm和98. 48mm （图6）,变形最大位置发生在环岛空间地下一层顶 板的下沉广场位置及1号线车站与环岛空间的连接部分的侧墙顶部位置。当地震波沿x轴

19、呈45"角方向施加时，e2和e3地震作用卜'地k空间结构水平位 移最大值分别为49.93mm和99.49mm （图7），变形最大位置发生在环岛空间 45°及225°方向的侧墙顶部位罝。3.2层间位移差（角）表3给出了各个荷载工况下，地下空间结构的3个典型断面（图3）上顶板与底 板位移差和位移角统计值。由表可知：（1） e2地震作用下，最大顶底板位移差 出现在y方向，其值为12. 00mm，位移角最大值为1/2083; （2） e3地震作用下, 最大顶底板位移差也出现在y方向，其值为21. 82mm，位移角最大值为1/1145。图4人工模拟地震波下载原图表3

20、顶板与底板层间位移差及位移角统计下载原表4结构内力分析4. 1结构顶底板与侧墙内力根据相关资料，地下结构一般不提取e3作用下结构内力以1。选取整个结构顶板 和底板边支座、跨屮、屮支座，侧墙的上支座、跨屮和下支座等部位进行e2作 用下内力提取。表4给出了在地震荷载e2作用下，结构顶底板与侧墙内力最大 值的统计值，同时给出了设计文件中的静力荷载工况的结构内力最大值。从表中 可知:相对于静力分析法，时程分析法获得的地震动内力在结构顶板边支座、顶 板屮支座、侧墙下支座和底板跨屮等部位的值较大。图5 x方向加载下结构水平位移下载原图图6 y方向加载下结构水平位移下载原图4.2开洞薄弱处内力在地震作用下，

21、主体结构开洞位罝一般被视为受力薄弱处。提取下沉广场洞口、 主体与区间隧道等处的内力，见图8。下沉广场洞口处内力最大值发生在环岛下 沉广场处，最大弯矩内力为307kn m;主体与区间隧道连接处内力最大值发生 在地铁2号线车站端墙洞口处，最大弯矩内力为2 454kn - mo图7 45°方向加载下结构水平位移下载原图表4结构顶底板与侧墙内力最大值统计下载原表4.3中柱内力分析e2作用下中柱轴力云图，发现中柱最大轴力位置发生下沉广场洞u边缘、 车站与环岛连接处。对中柱最大轴力、轴压比、最人剪力和最人抗剪承载力进行 统计与计算，见表5。由表可知，钢筋混凝土框架柱最大轴力为22 703kn,轴

22、压 比为0.51，最大剪力为1 188 kn小于最大抗剪承载力2 663kn。图8开洞薄弱处弯矩下载原图表5屮柱内力下载原表5结论(1) 基于场地条件下的大型地下空间结构，在设防地震下顶底板处层间位移差 最大值为12. 00mm,位移角最大值为1/20831/550;在罕遇地震下顶底板处层间 位移差最大值为21. 82mm，位移角最大值为1/1 145<1/250，总体上满足结构变 形要求。(2) 大型地下空间结构在设防地震作用下，结构内力在顶板边支座、顶板中支 座、侧墙下支座和底板跨屮等部位的值较静力计算工况大。(3) 建议对于大型地下空间结构结构设计时，除了静力计算工况，应综合考虑

23、抗震工况，需开展三维动力时程分析，以便全而掌握其抗震性能；同时应在设计 中对开口处采取加固措施。参考文献1 同济大学，上海申通轨道交通研宂咨询有限公司.dg/tj08-2064-2009,地下 铁道建筑结构抗震设计规范s.上海:上海市建筑建材业市场管理总站，2009.2 北京城建设计研究总院有限责任公司.db11/995-2013，城市轨道交通工程设 计规范s.北京:北京市质量技术监督局，北京市规划委员会，2013.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.gb50157-2013,地铁设计规范s.北京: 中国建筑工业出版社，2013.4 中华人民共和国住房和城乡建设部.gb50909-2014,城

24、市轨道交通结构抗震 设计规范s.北京：中国计划出版社，2014.5 川岛一彦.地下构筑物的耐震设计m. h木:鹿岛出版社，1994.6 kiyomiya 0. earthquake-resistant design features of immersed tunnels in japanj. tunneling and underground space technology, 1995，10(4) : 463-475.7 hashash y m a, hook j j, schmidt b, et al. seismic design and analysis of underground structures j. tunneling and underground space technology, 2001, 16 (4) : 247-293.8 孙绍平，韩阳.生命线