地铁车站地震工况下的计算分析.doc

1、地铁车站地震工况下的计算分析摘 要：抗震设计中地震效应的计算方法有反应位移法，地震系数法，弹性时程方法，非线性时程方法等。在地下铁道结构抗震分析中，目前多采用地震系数法和地层位移法。本文以北京市某一车站为例，分别采用地震系数法和反应位移法进行抗震效应计算。通过对计算结果的研究与分析，推断出不同部位的结构配筋计算方法。 关键词：地铁车站；抗震；地震系数法；反应位移法 中图分类号：TU352 文献标识码： A 1 车站概述 根据勘察资料，该站地面标高为 37.34m，结构顶板上表面标高32.58m，覆土厚度取为 4.76m，结构总高度 13.13m，抗浮水位标高38.00m。 根据中国地震动参数区

2、划图 （GB 183062001） 、 铁路工程抗震设计规范 （GB 501112006）和建筑抗震设计规范 （GB 500112010） ，本次勘察场区的场地抗震设防烈度为度，设计基本地震加速度值为 0.2g（50 年超越概率 10所对应的峰值加速度） ，设计地震分组为第一组。场地类别按 III 类考虑。 2 车站工程地质和地质构造 本站施工范围内土层分布较为稳定，自上而下依次为人工填土、第四纪全新世冲洪积地层、第四纪晚更新世冲洪积地层。车站穿越地层主要为粉土、粉质粘土、粉细砂。车站结构底板座落于粉质粘土层上。 本站抗震设防烈度为 8 度。 按建筑抗震设计规范 （GB50011-2001）1

3、，建筑场地类别为 III类，经计算判别 20m 深度范围内的饱和砂土、粉土不液化。 本站填土层厚度一般为 2.32.6m；除填土分布外本次勘察未发现软土、湿陷性土等特殊岩土。 3 抗震计算方法 本站为抗震设防为乙类，采用地震系数法和反应位移法进行抗震效应计算。由于本站周围地层分布均匀、规则且纵向较长，结构分析采用平面应变分析模型。本站主要对标准标准段结构进行抗震分析。 3.1 反应位移法 采用反应位移法进行地下车站结构横向地震反应计算时，可将周围土体作为支撑结构的地基弹簧，结构可采用梁单元进行建模，见图 3-1所示。 图 3-1 地下结构反应位移法抗震计算简图 （1）土层位移计算2 采用反应位

4、移法进行地下结构地震反应计算时，应考虑土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力作用。土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力可由一维土层地震反应分析得到；对于进行了工程场地地震安全性评价工作的，应采用其得到的位移随深度的变化关系；对未进行工程场地地震安全性评价工作的，其土层位移沿深度和隧道轴向分布如图 3-2 所示，地震时土层沿深度方向位移可按式（1）确定，地震时土层沿隧道轴向位移可按式（2）确定。 图 3-2 土层位移沿深度和隧道轴向分布 （1） 式中地震时深度 z 处土层的水平位移 (m) ； z深度(m)； 场地地表最大位移，取值参照表 1、2； H地面至地震作用基准面的距离(m)。 （2）

5、 （2）土体与结构相互作用弹簧刚度计算 计算模型中，结构周围土体采用地基弹簧表示，包括压缩弹簧和剪切弹簧；地基弹簧刚度按式（3）计算： k=KLd （3） 式中 k压缩、剪切地基弹簧刚度（kN/m） ； K地基反力系数（kN/m3） ；L地基的集中弹簧间距（m） ； d土层沿隧道与地下车站纵向的计算长度（m） 。 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范GB50307 给出了通过地质勘察和工程经验确定地基反力系数的方法。 （3）土层位移引起的作用于结构的地震力计算 在反应位移法中需将地下结构周围自由土层在地震作用下的最大位移（可取相对变形，相应于结构底面深度的位移为零）施加于结构两侧面压缩弹簧及上部

6、剪切弹簧远离结构的端部。 结构自身的惯性力可将结构物的质量乘以最大加速度来计算，作为集中力可以作用在结构形心上，也可以按照各部位的最大加速计算结构的水平惯性力并施加在相应的结构部位上。 案例计算 a.弹簧支座点位移计算 根据（1） 式中地震时深度 z 处土层的水平位移(m)； z深度(m)； 场地地表最大位移，取值参照表 1、2； H地面至地震作用基准面的距离(m)。 对应基本设计地震的地震动峰值位移=0.182m。根据勘察资料，基岩埋深大于 50m，这里取基岩面埋深 H=50m。结构划分单元后，各弹簧支座点施加的支座位移。 b.弹簧刚度计算 结构与土体相互作用压缩、剪切弹簧刚度计算： 结构侧

7、壁所在土层弹簧刚度 根据岩土工程勘察报告，压缩弹簧刚度取加权各土层后相应地基反力系数。侧壁所在土层压缩弹簧刚度 Kh=25000 kPa/m，剪切弹簧刚度近似取 Ksh=Kh/3 结构底板所在土层弹簧刚度 根据岩土工程勘察报告，压缩弹簧刚度取相应地基反力系数。结构底板所在土层压缩弹簧刚度 Kv=35000 kPa/m, 剪切弹簧刚度近似取Ksv=Kv/3。 c.剪切力计算 根据建筑抗震设计规范条文说明 14.2.2 条，由=GSvTs/(H)计算顶板顶面剪切力。 d.惯性力计算 惯性力按下式计算： 3.2 地震工况下静力计算(地震系数法) 地震工况时，静力荷载计算简图如下图所示。 据铁路工程抗

8、震设计规范 （GB50111-2006）8.1.33，结构上的水平地震力按下式计算： FihE =Agmi FihE 计算质点的水平地震力（kN） ； 水平地震作用修正系数，岩石地基取 0.20，非岩石地基取0.25； Ag地震动峰值加速度（m/s2） ，北京为 0.2g； mi计算质点的质量（t） ； 4 反应位移法与地震系数法内力结果对比分析 根据上述地震系数法及反应位移法内力计算结果，以主体结构标准段为例，选取结构典型断面位置，对两种不同计算方法所得各项内力进行对比分析，内力统计断面位置如图 4-1 所示，内力计算数据统计如表4-1 所示。 图 4-1 主体结构标准段内力统计断面示意图

9、表 4-1 主体结构标准段地震系数法与反应位移法内力结果对比表 通过以上对比分析可看出： （1）地震系数法与反应位移法两种计算方法在背波面顶（底）板与侧墙交接处（即图 5-1 中 5、6、7、8 断面）内力相差较大，在其余地方内力相差不大。 （2）在迎波面顶板、底板与侧墙交接处，内力受地震系数法控制；在背波面顶板、底板与侧墙交接处，内力受反应位移法控制。 （3）地震系数法与反应位移法两种方法计算结果有所区别，这主要是由于两种计算方法在荷载计算及模型约束等方面有所不同导致。 参考文献： 1 中华人民共和国标准.GB 50011-2010建筑抗震设计规范中国建筑工业出版设，2010 2 周晓军、周佳媚主编.地下铁道与轻轨交通成都：西南交通大学出版社，2008 3 中华人民共和国标准.GB 50111-2006铁路工程抗震设计规范中国建筑工业出版设，2009