地铁车站抗震设计分析

周 军,刘昕铭

(中铁二院，四川成都610031)

1 车站抗震设计概况

1.1 工程概况

火车南站是成都地铁1号线和7号线的换乘站。7号线部分车站全长约186 m，公共区标准段结构形式和地质情况如图1所示，采用钢筋混凝土现浇结构，明挖法施工。

1.2 抗震设防目标

当遭受低于本工程抗震设防烈度的多遇地震影响时，地下工程不损坏，对周围环境和市政设施正常运营无影响；当遭受相当于本工程抗震设防烈度的地震影响时，地下工程不损坏或仅需对非重要结构部位进行一般修理，对周围环境影响轻微，不影响市政设施正常运营；当遭受高于本工程抗震设防烈度的罕遇地震(高于设防烈度1度)影响时，地下工程主要结构支撑体系不发生严重破坏且便于修复，无重大人员伤亡，对周围环境不发生严重影响，修复后市政设施可正常运营。

图1 车站标准横断面

1.3 抗震设防条件及标准

拟建场地位于抗震设防烈度7度区内，地震动峰值加速度值为0.10g，设计地震分组为第三组，建筑场地类别为Ⅱ类，地震动反应谱特征周期均为0.45 s。地下车站结构的抗震设防分类为乙类，抗震设防烈度为7度，抗震等级为三级。地震动参数根据四川省地震局关于《成都地铁7号线(第二阶段 场地地震动参数确定)工程场地地震安全性评价报告》的批复采用。

2 车站抗震工况计算

2.1 荷载组合

车站抗震设计的工况组合如表1所示。

2.2 等效静力法

2.2.1 计算方法选择

地下结构抗震理论分析方法有解析法、半解析法和数值方法，解析法中又有等效静力法、反应位移法和反应加速度法。抗震计算方法中，除等效静力法外，其余方法的计算参数取值尚存在较多争议。

等效静力法是通过反应谱理论将地震对建筑物的作用以等效荷载的方法来表示，基本思想是在静力计算的基础上，将地震作用简化为一个惯性力系附加在研究对象上。该方法能在有限程度上反映荷载的动力特性，但不能反映各种材料自身的动力特性以及结构物之间的动力响应，更不能反映结构物之间的动力耦合关系。该法优点也很突出，它物理概念清晰，与全面考虑结构物动力相互作用的分析方法相比，计算方法较为简单，计算工作量很小，参数易于确定，并积累了丰富的使用经验，已编入《铁路工程抗震设计规范》。

表1 车站工况组合表

设计采用“荷载-结构”模型，按平面杆系有限元法进行计算，地震作用采用等效静力法。结构计算简图如图2所示。

图2 地震工况荷载

2.2.2 荷载计算

(1)永久荷载：顶板覆土20×1.05=21 kPa；设备荷载8 kPa；侧向水土压力取静止水土压力，水土分算；底板下水浮力205 kPa。

(2)可变荷载：地面超载20 kPa，人群荷载4 kPa。

(3)地震荷载计算：参照铁路隧道结构地震作用分析方法，地铁车站可采用等效静力法进行地震作用分析。根据《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111-2006)公式8.1.3计算车站水平地震力。

惯性力：F1=ηm1Ag/H

F2=ηm2Ag/B

Pi=ηmiAg

式中：η为水平地震作用修正系数，岩石地基取0.2，非岩石地基取值0.25；F1为侧墙自重惯性力；F2为顶板覆土自重(包括地面超载)惯性力；Pi为作用于各层板处惯性力；m1、m2为分别为侧墙、上覆土(等效)质量；mi为各层板(含本层梁及上、下各半层柱)自重(包括活载)；Ag为地震动峰值加速度；H、B为结构高度、宽度。

本站ηc=0.25(非岩石地基取值)；Ag地震动峰值加速度为0.10 g；H为墙高22.15；m1为墙的质量，本站侧墙厚800 mm，顶板厚800 mm，中板400 mm,底板1 200 mm,覆土1.05 m；中板设备荷载8 kPa，装修荷载3.3 kPa按每1 m长度计算侧墙水平地震力(均布荷载)。

F1=0.5 kN/m；F2=1.025 kN/m；P1=24.78 kN

P2=18.819 kN；P3=19.48 kN；P4=28.02 kN

由于地震引起的主动侧向土压力增量：7度地震区β=2°30′，γ为计算点以上土的加权平均天然重度。顶板处φ=10°，γ=18.5；中板处φ=30°，γ=20；底板处φ=40°，γ=22。

顶板处φe=φ-β=10°-2.5°=7.5°；γE=γ/cosβ=18.5

中板处φe=φ-β=30°-2.5°=27.5°;γE=γ/cosβ=20

底板处φe=φ-β=40°-2.5°=37.5°;γE=γ/cosβ=22

△ei=(λa′-λa)qi

顶板处：

△ei={tan2[45-(φ-β)/2]-tan2(45-φ/2)}×γh

={tan2[45-(10-2.5)/2]-tan2(45-10/2)}×18.5×1.05=1.283 kN/m2

中板处：

△ei={tan2[45-(φ-β)/2]-tan2(45-φ/2)}×γh

={tan2[45-(30-2.5)/2]-tan2(45-30/2)}×20×6.8=4.76 kN/m2

底板处：

△ei={tan2[45-(φ-β)/2]-tan2(45-φ/2)}×γh

={tan2[45-(40-2.5)/2]-tan2(45-40/2)}×22×23.2=13.27 kN/m2

取1 m宽计算时各点主动侧向土压力增量分别为：

顶板处：△ei=1.283 kN/m

中板处：△ei=4.76 kN/m

底板处：△ei=13.27 kN/m

2.2.3 计算结果

抗震工况弯矩如图3所示。

图3 弯矩图

3 抗震构造要求

计算分析表明，由于结构周边土体的约束作用，地震力对地下结构的影响较小。由于构件计算中，地震组合工况仅进行强度检算，而地铁车站在其他工况计算时，构件计算主要由裂缝检算来控制。因此，地震作用工况对构件设计为非控制工况，但结构设计时需按规范满足抗震构造要求，车站设计中的锚固有6种，具体如图4～图9所示。

图4 中间层端间节点梁锚固

图5 顶层中间节点柱锚固

图6 中间层中间节点梁锚固

图7 中间层中间节点梁在节点外搭接

图8 顶层端节点外侧弯折搭接

图9 顶层端节点外侧直线搭接

4 车站结构的地震破坏形式和设计对策

地下结构产生应力的主要原因不仅仅是惯性,还有地基应力应变状态的改变，并且地质情况不同，车站深度和埋深不同，地下结构与周围介质的刚度也不同,地震波场也不同，地下结构周围波场难以确定。因此，现有理论难以准确地计算出地震对结构的受力数据大小，但可以从震害破坏特点来进行抗震概念设计。

4.1 汶川大地震破坏形式和设计对策

“5·12”汶川大地震发生时，成都地铁1号一期工程18个车站主体结构都基本完成。汶川大地震为里氏8.0级，震中映秀位于成都西北方向，距离成都约70 km。由于成都距离震中较远，地震烈度尚未达到设防烈度，所以车站主体结构基本完好，但个别站点出现裂缝。

(1)车站侧墙竖向裂缝。某站车站地下一层侧墙出现竖向裂缝，裂缝宽0.1～0.5 mm、长1.2～5.0 m，裂缝渗水，如图10所示。从产生裂缝可以看出，地铁车站是长宽大的建筑，沿车站纵向结构因地质等原因可能会产生不同大小的应力应变。因此，当车站地质复杂，尤其存在软弱地层且厚度不均的时候，需要加强地下一层构造配筋含钢量。

(2)变形缝、施工缝漏水开裂。某站变形缝和施工缝开裂漏水，止水带破坏，如图11所示。为了方便施工，设计中常采用刚性的止水条，车站设计中尽量采用复合材料止水，且尽量采用诱导缝来代替变形缝。

图10 侧墙开裂

图11 变形缝开裂

4.2 阪神大地震破坏形式和设计对策

当地铁车站遭受到高于设防烈度的地震时，地铁车站最先遭受严重破坏是柱子。日本“阪神大地震”地震规模为里氏7.3级，震中距离神户市23 km，神户市大开车站严重破坏，柱剪切破坏如图12所示，柱压碎破坏图13所示。大开车站柱子破坏严重的部位并非覆土厚、竖向静载大的柱子。由于覆土小，柱子竖向力小，柱截面较小，柱子箍筋间距较大，整个地铁车站结构出现了抗震薄弱位置。因此，设计中不应出现柱子截面较大变化，且在静载计算基础上适当加大柱子截面，减小剪切破坏的可能性；并应加强柱箍筋配置，减小出现压碎破坏的可能性。

图12 柱剪切破坏

5 结论及建议

通过计算和分析地震破坏，在多遇地震和设防地震时，地震工况不是结构设计的控制工况，根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)采用合理抗震构造措施，并结合地质和结构情况合理加强特殊部位，可以达到抗震设防目标。为了减小罕遇地震灾害，需加强柱子这一抗震薄弱环节，在静载模拟计算结果下适当加大柱子截面和增加柱箍筋。

地铁车站抗震研究众多理论还存在争议，尚不具备列入规范的条件。众多计算方法因设计参数的取值而结果差异较大。建议在进行地铁车站抗震设计时，以概念设计为主，理论计算为辅，重点解决抗震薄弱环节的结构布置和构造措施。

图13 柱压碎破坏

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[2] 林刚，罗世培，倪娟. 地铁结构地震破坏及处理措施[J].现代隧道技术，2009(4)

[3] 郑永来，杨林德.地下结构抗震[M].同济大学出版社，2005

[4] GB50111-2006铁路工程抗震设计规范[S]