某车站换乘节点抗震分析
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摘要：本文采用了三维有限元模型，采用时程分析法对南京某地铁车站换乘节点在地震工况下进行了分析，同时与荷载基本组合工况下静力分析进行了对比，结果表明，地震作用下由于结构与周边土体的相互作用，换乘节点处梁柱结构受力较基本组合偏小，但梁柱节点处受力较大。
Abstract: This paper uses a three-dimensional finite element model, the time-history analysis method on a Nanjing subway station transfer points in seismic condition are analyzed, and compared with the static analysis, fundamental combination of load conditions results show that, under the action of earthquake due to the interaction of structure and the surrounding soil, transfer points beam-column structure stress a basic combination is small, but the joint of beam and column in the larger force.
Keywords：the subway transfer pointsSeismic analysis
中图分类号：U291.69文章标识码：A 文章编号：
引言：随着轨道交通的迅猛发展，地下结构车站朝着综合性、复杂化方向发展，结构抗震分析研究也越来越受到重视，特别是我国在遭遇汶川大地震后，对结构抗震有了更进一步的认识和更严格的要求，工程抗震设防专项审查已陆续在轨道交通工程领域开展，研究地铁结构在地震作用下的反应，对地铁结构的抗震设计具有重要的意义。本文通过对地铁车站在地震作用下的有限元时程分析计算，并与荷载基本组合工况下进行对比，据此对地铁结构的抗震设计提出一点建议。
1 工程概况
1.1 工程基本概况：本换乘站站为两条线的换乘车站，车站换乘节点成80°交角，水平向车站为地下三层站，竖向车站为地下两层站，如下图1-1所示。
图1-1车站换乘节点平面示意图
2.地质概况：本工程总体上处于长江阶地区，地势平坦。现地面高程约在10.1~10.9m左右，场地范围内土层分布自上而下为：①-1杂填土、①-2素填土、②-1b2-3层粉质粘土、②-1d2-3粉砂、②-3b3粉质粘土、③-1b2粉质粘土、③-2b3粉质粘土、③-3b2粉质粘土、④-1b1-2粉质粘土、④-2b2粉质粘土、⑤e 残积土、K2p-2强风化岩、K2p-3中风化岩。本车站地层变化较大，车站主体底板主要座落于K2p-2强风化岩、K2p-3中风化岩。场地地下水主要为赋存于粉质粘土中的孔隙潜水、粉砂层中的弱承压水和基岩中的裂隙水。
3.计算模型及参数
3.1 计算模型
考虑到地下车站结构开挖的空间效应，现采用三维计算分析模型，同时考虑到2种不同的组合形式，建立静力分析模型（基本组合）和地震工况下动力（时程）分析模型（偶然组合）。3.1.1 静力分析有限元模型模型边界采用的地面支承边界，模型左右侧约束X向的平动位移，前后侧约束Y向的平动位移，底部约束Z向位移，上表面不约束平动位移，对于三维实体，程序默认约束实体边界单元的转动位移。计算模型的侧面边界距车站结构为3～5倍车站水平有效宽度，底面边界距车站结构为3～5倍车站竖向有效高度，上表面取至实际地表。具体计算模型如图3-1~3-2所示。模型尺寸为280m×200m×95m，共计81361个单元，65718个节点。3.1.2 时程分析有限元模型除边界条件和荷载情况与静力模型不一样外，模型的其他条件均相同。对于交叉换成节点，考虑X轴向和Y轴向地震波的影响，分别计算水平地震作用，其中地震动加速度峰值比值为水平主向：水平次向=1：0.85。与其路线垂直方向考虑即Y轴地震波的影响，采用波动法进行地震动输入，模型边界采用粘弹性吸收边界。结构计算模型如图3-1、3-2所示。
图3-1 有限元总体模型图3-2 车站结构梁、柱、板模型
3.2计算参数时程分析时由于输入地震波不同，所得出的地震反应可能相差甚远，地震动的随机性及不同地震波计算结果的差异性，合理选择地震波来进行直接动力分析是保证计算结果可靠性的重要问题。但只要正确选择地震动主要参数三要素即动幅值、频谱特征和地震动持续时间，则时程分析结果可以较真实地体现在未来地震作用下的结构反应，满足工程所需要的精确度。根据《城市轨道交通结构抗震设计规范（送审稿）》，并考虑到轨道交通地下车站的重要性和震后修复难度，抗震设防目标为结构在遭受相当于本工程抗震设防烈度的地震影响时，即475年一遇（E2，50年内超越概率10%）地震动作用下，不破坏或轻微破坏，应能够保持其正常使用功能，结构处于弹性工作阶段，不应因结构的变形导致轨道的过大变形而影响行车安全；本工程计算采用50年超越概率为10%的地表加速度峰值0.128g作为地震动时程的目标峰值。地震动力加载时长为30s，加载时步长为0.02s，地面加速度峰值为0.128g。地震波选取三个典型地震波进行动力加载分析(如图3-3~图3-5)，其中El Centro波为MIDAS/GTS软件自带地震加速度波形、南京人工波(参考南京其他项目反应谱与加速度时程曲线)，本工程地震安全性评价报告地表人工波，如图3-3~3-5所示。考虑到由于本项目车站主体交叉换乘节点较复杂，两车站成80°交角，为了正确有效的反映地震荷载作用下车站结构的内力变化情况， 故考虑两个垂直方向地震动的影响，地面加速度取X、Y两个正交方向分别计算水平地震作用，其中地震动加速度峰值比值按照水平主向：水平次向=1：0.85选取。
图3-3 El Centro波(t=30s) 图3-4 南京人工波(t=30s)
图3-5 安评报告地表人工波(t=30s)
4计算结果及分析
4.1计算工况采用3种类型的地震波，计算过程中建立3种分析工况，各种工况下均考虑基本组合、偶然组合2种组合形式，加速度波峰值均为0.128g，持续时间为30s。表4-1计算分析工况
通过比较工况1、工况2和工况3的计算结果，各结果参数基本为工况1计算结果大于工况2和工况3计算结果，抗震计算结果取三者工况的包络值。
4.2计算结果4.2.1基本组合计算车站换乘节点各层基本组合下梁柱静力分析计算如图4-1~4-9所示。
图4-1 换乘节点顶纵梁弯矩My 图4-2换乘节点顶纵梁剪力Fz
图4-3 换乘节点地下一层纵梁弯矩My图4-4换乘节点地下一层纵梁剪力Fz
图4-5换乘节点地下二层纵梁弯矩My图4-6换乘节点地下二层纵梁剪力Fz
图4-7交叉换乘节点底纵梁弯矩My 图4-8交叉换乘节点底纵梁剪力Fz
图4-9 交叉换乘节点1、2、3层柱轴力
4.2.2时程分析计算车站换乘节点在地震工况下各层的时程分析包络值计算结果如图4-10~4-18所示。
图4-10换乘节点顶纵梁弯矩My 图4-11 换乘节点顶纵梁剪力Fz
图4-12换乘节点地下一层纵梁弯矩My 图4-13换乘节点地下一层纵梁剪力Fz
图4-14换乘节点地下二层纵梁弯矩My图4-15 换乘节点地下二层纵梁剪力Fz
图4-16换乘节点底纵梁弯矩My 图4-17换乘节点底纵梁剪力Fz
图4-18 换乘节点1、2、3层柱轴力
4.3对比分析换乘节点处各纵梁内力值如下表所示。表4-2交叉换乘节点工况1各纵梁的弯矩剪力极值
由上表可知，换乘节点处，地震工况下梁的内力小于静力工况下梁的内力值，地震工况对梁的配筋不起控制作用。
表4-3交叉换乘节点工况1各层柱的轴压力极值
由上表可知，换乘节点处，地震工况柱轴力小于静力工况柱轴力，柱轴压比小于0.85，地震工况对柱的配筋不起控制作用。
5.结论本文通过建立三维有限元模型，对车站换乘节点进行了时程分析，将计算结果与基本组合工况下进行对比，从计算结果来看，在地震工况下，由于模型考虑了土体与主体及结构之间的相互关系，地震工况计算较基本组合计算结果偏小，对结构配筋基本不起控制性作用，但是从抗震计算的结果中可以看出，在梁柱以及梁与板墙暗柱节点结构内力较大，特别是换乘节点侧墙处暗柱与梁节点剪力较大，应引起重视，设计应加强构造措施。
参考文献：
1.地铁设计规范（GB50157-2003）
2.城市轨道交通结构抗震设计规范（送审稿）
3.建筑抗震设计规范 GB50011-2010 中国建筑工业出版社，2010
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5.徐宏 南京地铁双层车站抗震分析。江苏建筑， 2008（1）：26-28。
6. 姚谦峰、苏三庆 地震工程。陕西科学技术出版社，2001
刘东坡 1980年4月中铁隧道勘测设计院有限公司 硕士结构专业 工程师