半地面侧式站台地铁车站抗震分析

杨旭升;李少语;冯红喜;杨捷

【摘 要】介绍地铁车站抗震机理及半地面侧式站台车站在地震作用下的不同响应,对不同抗震计算方法进行比较,并结合实际工程,对8度抗震区某半地面地铁车站进行了反应位移及反应谱法抗震分析,研究了半地面侧式站台地铁车站的抗震响应规律,以期为半地面侧式站台车站抗震设计提供依据. 【期刊名称】《现代城市轨道交通》 【年(卷),期】2018(000)012 【总页数】5页(P32-35,39)

【关键词】地铁;半地面车站;反应位移法;反应谱法;抗震分析 【作 者】杨旭升;李少语;冯红喜;杨捷

【作者单位】黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450050;黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450050;黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450050;黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450050 【正文语种】中 文 【中图分类】U231 1 概述

近些年，我国城市轨道交通快速发展，其中以地下线居多。考虑到我国是地震多发国家，需对地下车站进行抗震分析。现阶段采用的反应位移法、反应谱法等，都能

近似地对地下车站结构进行抗震分析，满足抗震设计的需求。但对于半地面车站，尤其是增加了车站跨度的侧式站台车站而言，还没有可以借鉴的资料。因此，对半地面车站结构进行抗震分析，完善各类地铁车站抗震的构造措施，具有十分重要的工程应用价值。

研究半地面地铁车站的抗震，首先要分析地下结构与地上结构震动响应规律的不同之处，主要有以下几点：①地下结构由于受到周围土层的约束，其自身不会表现特别明显的振动特性，但地面建筑则会呈现明显的自身振动特性；②较小的地震波入射角度变化就会造成地下结构较大的震动响应，而地面建筑则受此影响较小；③地下结构的振动响应主要受周围土层的应变或变形影响，而地震加速度则与地面建筑受震产生的振动反应关系紧密。

总体来说，地下结构的振动响应主要来自于地下结构和周围土层相关作用关系；地上建筑结构形状、质量、刚度等自振特性的变化，则对地面结构反应的影响很大。 2 抗震计算方法

地下结构与地上结构震动响应规律的不同，导致两者对地震的计算方法不同。对于地下结构，主要采用反应位移法、时程分析法及反应谱法，其中以反应位移法使用最为广泛。对于地上结构，多采用阵型分析的反应谱法直接进行三维抗震分析。本文选取呼和浩特市轨道交通2号线一期工程某半地面侧式站台车站作为研究对象，分别采用反应位移法及反应谱法对其进行抗震分析，研究抗震工况下土体与结构的相互作用及破坏机制。 3 计算模型

拟建车站为地上一层+地下一层的侧式站台车站，采用单柱双跨框架结构，标准段底板埋深 9.16 m，出地面层高 6.35 m，位于抗震设防烈度 8 度区内，地震动峰值加速度值为 0.20 g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，地震动反应谱特征周期均为 0.35 s。地面 20 m 深度范围内的土层均不液化，车站结构设

计使用年限为 100年，抗震设防分类为乙类，性能要求为Ⅰ类，抗震等级为二级。车站结构示意图见图 1。

计算分析中，采用 SAP84 对车站横截面进行二维计算，采用 PKPM 对整个车站进行三维计算，采用理正工具箱对纵梁进行二维计算。 图1 主体结构标准断面图（单位：mm）

取单宽截面对地下、地上结构进行二维静力计算和反应位移法计算，结构计算模型见图 2。该模型与地下车站的区别主要在于多出的地面结构，由于地面结构也多采用框架形式，计算时的模型采用与地下结构相同的简化方法，仍将柱子等效为对应方向的隔墙。所受荷载主要为侧向风荷载、水平地震荷载、屋顶雪荷载及检修荷载。 由于对纯地下结构抗震已有较多研究，并且在车站东端纯地下结构部分设有变形缝，所以本次三维抗震计算暂不考虑纯地下部分。PKPM 三维计算模型如图 3 所示，其中右端为地下变形缝。将计算结果与反应位移法计算结果进行对比，分析地下结构与地上结构震动响应规律的不同，并对半地面车站的抗震规律进行总结。 图2 反应位移法受力荷载简图 图3 PKPM 三维整体分析计算模型 4 结构抗震计算结果分析 4.1 结构变形分析

（1）采用反应位移法计算，设防地震和罕遇地震作用下车站结构的位移如图 4、图 5 所示。由图 4、图 5可见，设防地震工况下的最大位移值为 -19.2 mm，最大弹性层间位移角为 1/579；罕遇地震工况下的最大位移值为 -42.3 mm，最大弹性层间位移角为 1/292。

（2）采用 PKPM 三维计算，计算结果如图 6、图 7所示。由图 6、图 7 可见，设防地震工况下的最大位移值为 -12 mm，最大弹性层间位移角为 1/757。 由此可见，在设防地震作用下，车站结构最大层间位移角均小于 1/550，可以认

为结构处于弹性工作阶段，构件截面及配筋均满足抗震计算要求；在罕遇地震作用下，车站结构最大层间位移角小于 1/250，可以认为结构仍处于弹塑性工作阶段，不会出现局部或整体倒毁的情况。 4.2 结构内力分析 4.2.1 板、墙、柱内力分析

表1 给出了静力工况及地震工况下结构板、墙、柱计算内力结果，由表 1计算结果可以得出以下结论。

（1）在地震工况作用下，中柱可满足轴压比限值的要求，表明半地面车站的中柱在设防地震工况下有较好的延性。但结构中柱与中、底板相交处，剪力和弯矩较大，属于薄弱部位，需增加其抗震性能，此点与地下车站结构类似。尤其本站作为半地面站，在地震工况下，周边环境及约束的不同会增加各层板的层间位移差，从而对车站结构产生更大的破坏，实例中中层间位移角基本都接近限值也印证了这一点。在设计施工时，应予以充分重视。

图4 设防地震标准下水平位移（单位：mm） 图5 罕遇地震标准下水平位移（单位：mm） 图6 PKPM 三维计算最大水平位移 图7 PKPM三维计算最大层间位移角

（2）对于各层板结构，PKPM 三维计算基本采用杆系有限元计算（剪力墙采用壳单元除外），不考虑楼板的抗震作用，仅对其进行了四边支撑板的静力分析。梁柱仅考虑楼板传递的楼面恒活载，而不考虑楼板刚度对整体受力的影响。该车站出地面顶板即为此种情况。静力工况下，PKPM 三维计算结果与 SAP84 二维计算结果基本相同，模型简化较符合实际。

（3）出地面结构的屋面板与地下车站的各层楼板存在区别。出地面结构的顶板，与考虑覆土重及设备荷载的地下各层较厚板相比，其板厚相对较薄。地下车站各层

板板厚较厚、刚度较大，属中厚板范畴，不仅承受平面外弯矩，还承受面内水平轴力。各层板和地下侧墙（剪力墙）一起作为一个刚度较大的整体参与抗震计算，常用的二维简化模型比较适用。而对于地上结构部分，采用 PKPM 进行梁柱框架的计算较为合适。

（4）对于地下结构侧墙，由于本站站前出入场线及正线上下穿关系，导致车站埋深相较于正常地面站较深，车站地下主体结构侧墙较高，并且为侧式站台、单柱双跨结构，导致侧墙基本由地震工况控制，表 1 内力计算结果也印证了该结论。 4.2.2 梁内力分析

选取公共区中纵梁（图 8）作为研究对象，将理正二维及 PKPM 三维计算结果进行对比。图 9、图 10 分别给出了理正二维及 PKPM三维计算弯矩图。通过对比图9、图 10 中板纵梁计算结果可以看出：

（1）相较于常规车站，本站 8 度抗震工况下，纵梁支座处的弯矩由抗震工况控制； （2）对于跨中弯矩，由于本站为侧式站台，横梁跨度较大，且横梁破坏了原来的单向板受力，造成横梁传递给纵梁的荷载比较大，部分作用有横梁荷载的中纵梁跨中弯矩增加较多，这时用 PKPM 三维计算得到的内力结果更符合实际。

表1 静力工况及地震工况结构内力计算结果顶板200边支座 弯矩 / kN · m 59 24 57剪力 / kN 57 27 47中支座 弯矩 / kN · m 161 83 135剪力 / kN 74 36 60跨中 弯矩 / kN · m 81 41 63中板500边支座 弯矩 / kN · m 406 280 338剪力 / kN 187 127 171中支座 弯矩 / kN · m 340 207 208剪力 / kN 187 113 131跨中 弯矩 / kN · m 165 103 120底板800边支座 弯矩 / kN · m 545 363 894剪力 / kN 394 304 444中支座 弯矩 / kN · m 422 240 285剪力 / kN 241 141 179跨中 弯矩 / kN · m 219 127 173边墙700中支座 弯矩 / kN · m 347 241 369剪力 / kN 204 177 424底支座 弯矩 / kN · m 529 356 751剪力 / kN 391 262 723跨中 弯矩 / kN · m 193 130 530 800×1 200 底部 轴力 / kN 4 952中柱

图8 中板梁平面图（单位：mm）

图9 理正二维计算弯矩图（单位：kN · m） 5 结论及建议

（1）对于半地面车站整体而言，地下结构由于受周边土体的约束，地震变形反应相对较小，起控制性作用的位移都产生于地上结构，但地下结构比地上结构内力反应大。对于地上结构，常用的静力模型已不适用，采用阵型分析的反应谱法进行梁柱的框架计算更为合理。

（2）除满足抗震要求之外，半地面车站的特殊性导致了其抗震设计的复杂性。半地面车站出地面结构长度一般在200 m 以内，按照民建设缝原则，需设置2～3 道变形缝。若向下设置通缝，则会对屏蔽门、公共区设备等的布置造成影响。此时，地面厅范围内的地下结构可不设缝，可仅在地上结构顶板设缝，这样既满足半地面车站的抗震性能要求，又不影响车站的建筑功能布置及使用。 图10 PKPM 三维计算弯矩图（单位：kN · m） 参考文献

【相关文献】

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