轨道交通工程地下车站结构抗震设计

梁旭燕 吴毓超

宏润建设集团股份有限公司宏润建设设计研究院 上海 200235

摘  要：随着我国城市化进程的不断加快，人们生活质量和周边环境也发生了翻天覆地变化。随着城市人口数量的增长，城市腰痛压力越来越大，轨道交通工程地下车站的出现有助于环节交通压力。但轨道交通不仅要满足运输功能，还要有一定安全性和抗震能力。本文以A市B地下车站为例，展开地下车站抗震设计分析，分析结果可作为后续地下车站抗震设计相关参考。

关键词：轨道交通工程；地下车站；结构；抗震设计

引  言

现代化城市建设过程中，城市轨道交通不仅要具备良好的运输能力，还要在设计方面充分考虑其抗震性能和安全性。地下车站结构施工要严格按照国家规定相关抗震设计标准进行设计，如此不仅能提升地下车站抗震性能，还能为日后城市的健康、可持续发展奠定良好基础。

一、抗震设防目标

（一）抗震设防类别、烈度与等级

根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》的相关要求，城市轨道交通结构应划分为：标准设防类；重点设防类；特殊设防类，三个抗震设防类别。标准设防类：抗震措施应按本地区抗震设防烈度确定；地震作用应按现行国家标准《中国地震动参数区划图》GB 18306规定的本地区抗震设防要求确定；重点设防类：抗震措施应按本地区抗震设防烈度提高一度的要求确定；地震作用应按现行国家标准《中国地震动参数区划图》GB18306规定的本地区抗震设防要求确定；对进行过工程场地地震安全性评价的。应采用经国务院地震工作主管部门批准的建设工程的抗震设防要求确定，但不应低于本地区抗震设防要求确定的地震作用；特殊设防类：抗震措施应按本地区抗震设防烈度提高一度的要求确定；地震作用应按国务院地震工作主管部门批准的建设工程的抗震设防要求且高于本地区抗震设防要求确定[1]。抗震设防地震动峰值加速度与抗震设防地震动分档和抗震设防烈度之间对应关系如表1所示。

表1：抗震设防地震动峰值加速度与抗震设防地震动分档和抗震设防烈度之间对应关系

（二）论证对象的判定

根据住房和城乡建设部印发的《市政公用设施抗震设防专项论证技术要点（地下工程篇）》的相关规定，轨道交通地下车站建筑面积超过10000㎡的可以判定该地下车站工程可以作为单体工程进行抗震专项论证分析。

（三）抗震设防目标

严格遵守国家相关方面规定，综合考虑轨道交通地下车站在城市中的重要程度以及地震发生后的修复难度，地下车站结构抗震设计的主旨思想应该是从性能出发的抗震设计，结合所选定地下车站的性能目标进行设计，使地下车站结构在规定性能范围内的所有行为都能满足预期抗震目标。

二、抗震设计论证方法

（一）分析方法比选

对轨道交通地下车站结构抗震作用进行计算和分析的方法主要有地震系数法、反应位移法、反应加速度法和时程分析法等等。综合计算精度、计算实用性等方面考虑，结合部分城市已经完成的抗震专项论证报告内容，现阶段主要采用的抗震作用分析和计算方法是反应位移法和时程分析法。对于某些地下车站结构上部建有大型建筑，结构土层存在明显差异、结构式跨度较大的结构类型，分析和计算情况更为复杂，需要结合三维反应位移法和三维时程分析。由反应位移法做主要分析和计算方法，时程分析法做支撑。

（二）车站反应位移法计算模型

有相关研究文献显示，地下车站结构在地震发生时会随周围土体一起进行振动，加速度和位移情况与周围土地反应基本趋于一致。因此，土层相对移位和剪力作用下的相对分布基本可以忽略车站结构影响。根据地层的一维波动模型计算。一般关于轨道交通地下车站结构的抗震设计，仅计算沿结构横向的水平地震作用，周围土基只是被视为地下车站结构的基本支撑。地下车站结构的纵向尺寸比横向尺寸要大的多，可结合实际情况将三维建模转化成二维建模，整体结构框架用梁单元进行模拟。地下车站反应位移法计算模型，如图2所示。

图2：地下车站反应位移法计算模型

（三）二维平面模型时程分析

按照与抗震性能相关的要求，抗震性能为Ⅱ级的，需补充时程分析做支撑，具体反应地震过程中各时刻结构内力和变形状态。同时需增加多种类型抗震保护，其目的是在地下土体结构发生变化时能对地下车站结构起到很好的保护作用。结合地震动力时程变化特点，需对地震发生时地下车站结构出现的抗震问题进行综合性分析，以进一步减少地震给地下车站结构带来的损坏。现阶段，通常使用二维平面时程分析法，将震动产生的动力能量计算在结构边界中，当车站土体发生变化，结构具有的弹塑性能对地下车站结构起保护作用。实际计算过程，会简化抗震设计计算方式，地震发生时土体出现弹性位移，结合实际位移变化，确定地下车站结构的屈服强度[2]。

三、典型轨道工程地下车站结构抗震分析

（一）工程实况

结合A市轨道交通4号线抗震专项设计，选取B地下车站进行抗震分析。B站的主要施工方式是明挖顺筑，车站总体建筑面积大约为12500㎡，车站的纵向长度大约为205.3m，标准段总宽度为19.8m。主体结构是两层单柱双跨钢筋混凝土箱形框架结构，顶板覆土约为3m，结构总高约为13.3m，纵向标准柱跨度约为9m。抗震防烈度7度。设计的基本地震加速度为0.1g。

（二）反应位移分析结果

结合Midas NX 建立一维波动模型，观察地震地震发生是土体位移和剪力变化。E2地震情况，土层发生弹性变化，结合抗震设计，要将弹性控制在1/550范围内，才能使B地下车站抗震设计符合抗震标准。关于地下车站钢筋混凝土结构抗震设计，要综合考虑客流和土质结构承载，合理调整钢筋混凝土结构，才能在钢筋混凝土结构出现裂缝时也保证地下车站结构符合抗震要求。地下车站不同结构，荷载不同，设计要随荷载有所调整，才能尽可能博癌症结构主主体作用力不会在震时遭到破坏。E3震动强度时，需对地下车站结构进行相应调整，将弹性变化控制在1/250范围内，才能保证整体结构基本稳定性。

（三）时程分析结果

应用时程分析法做支撑计算地下车站抗震设计，需结合Midas/GTS建立分析模型。结合E3地震作用，对地下车站结构产生的作用力进行模拟计算，确保计算结构正确。结合B站土质情况，考虑到B站土质中的风化砂岩，并且岩基面结构的距离小于地下结构纵向有效高度的3倍，因此，模型地面边界取至基岩面。在B站交通设计过程中，需对地震相应安全数据进行采集、分析、整理，进行抗震设计计算，确保B站地基基准时间能够超过50年，同时要防止在此期间车站结构被破坏。

按照国家相应抗震设计标准，对该工程进行抗震模拟计算，震动发生时，土质位移，每个结构在位移过程中都相对稳定。模拟结果显示，在B站结构抗震设计中，E3地震作用效果下，不仅要将弹性变化控制在合理范围内，还要尽可能减少土质结构振动和位移给地下车站结构造成的损坏[3]。

结语：

综上所述，根据国家关于轨道交通地下工程建设相关要求，地下车站的结构抗震设计，不仅要选择科学的分析计算方法，还要考虑到日常情况下土质变化，确保抗震设计达标，且能满足震时的车站承载力。通过对A市B站结构抗震设计分析，总结出以下经验，希望能对后续轨道交通地下车站抗震设计有一定帮助：

（1）轨道交通地下车站结构设计前，要对工程周边环境进行充分调研，尤其重视土质要就，所收集的所有信息和资料都可以作为抗震设计参考；

（2）在抗震设计过程中，地下车站建筑面积超过10000㎡，需按照重点设防类的防震标准进行设计；

（3）在不同地震作用效果下，为最大可能满足地下车站结构抗震标准，E2地震作用下，需将土质结构位移控制在1/550范围内；E3地震作用下，需将土质结构位移控制在1/250作用下；

（4）地下车站抗震设计综合反应位移法和时程分析法进行计算分析。

参考文献：

[1]刘鑫.城市轨道交通结构抗震设计规范技术要点[J].工程技术研究,2021,6(04):226-227.DOI:10.19537/j.cnki.2096-2789.2021.04.105.

[2]黄佳.轨道交通结构抗震设计规范技术要点[J].四川水泥,2020(08):317+319.

[3]GB 50909-2014, 城市轨道交通结构抗震设计规范[S].