地下两层双岛四线车站抗震数值模拟分析.pdf

1942023年4月江西建材工程技术与应用地下两层双岛四线车站抗震数值模拟分析邱土兴中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122摘要：文中应用迈达斯（MidasGTSNX）软件进行三维有限元数值模拟计算，根据某车站工程地质和设计资料，建立了三维有限元计算模型，对比分析了非上盖物业区和上盖物业区车站主体结构在地震作用下的层间位移差值及结构水平位移变化规律。结果表明，结构在受到水平地震荷载的作用后，地铁车站上盖高层的水平位移最大值为7 7 mm，层间位移最大差值约为5mm，层高约为3900mm；而地铁车站的主体结构层间位移最大差值约为0.0 47 8 mm，层高约为6 2 50 mm；非上盖物业区地铁车站主体结构的层间最大位移差值约为0.0 0 0 8 3 mm，层高约为6 6 0 0 mm，满足规范当中的弹性层间位移限值。关键词：地铁车站；双岛四线；抗震分析；数值模拟中图分类号：TU921;TU352.11文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 4-0 19 4-0 3Seismic Numerical Simulation Analysis ofUnderground Two-story Shuangdao Fourth-line StationQiu TuxingChina Power Construction Group East China Survey,Design and Research Institute Co.Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 311122Abstract:In this paper,three-dimensional finite element numerical simulation calculation is carried out by using Midas GTS NX software,and according to the actual stratum and engineering design data of a certain station,a three-dimensional finite element calculation model isestablished,and the variation rules of inter-story displacement difference and structure horizontal displacement of the main structure of thestation in the non-superstructure property area and the superstructure property area under earthquake are compared and analyzed.The resultsshow that after the structure is subjected to horizontal seismic load,the maximum horizontal displacement of the upper floor of the subwaystation is 77 mm,the maximum difference of inter-story displacement is about 5 mm,and the story height is about 3900 mm.The maximumdifference of inter-story displacement of the main structure of subway station is about 0.0478 mm,and the height of story is about 6250 mm.The maximum inter-story displacement difference of the main structure of the subway station in the non-superimposed property area is about0.00083 mm,and the floor height is about 6600 mm,which meets the elastic inter-story displacement limit in the code.Key words:Station project;Double Island Four Line;Aseimic analysis;Numerical simulation0引言我国城市轨道建设高速发展的过程中，地铁在城市出行中起着至关重要的作用 1。地铁车站作为地铁线路的核心节点，通常位于城市的繁华区域。随着城市土地资源的不断消耗，越来越多的地铁车站选择进行上盖开发建设，以最大程度地利用有限的土地资源 2-。城市地铁结构的抗震问题一直是众多学者关注的重点(6-。在地震作用下，地铁车站常常遭受不同程度的破坏，如何确保地铁车站在运营或是施工过程中不受影响，是值得研究的问题。另一方面，地铁上盖物业结构如今十分常见，在既有地铁车站上盖区域开展高层建筑设计施工，将面临结构受力分析困难等问题 12-14，因此，对地铁上盖物业结构进行地震工况下的安全性分析显得尤为重要。本文以某地铁车站工程为研究背景，分析非上盖物业区车站主体结构与上盖物业区车站主体结构在地震工况下的变形特点，同时给出抗震区域的定性分析和建议，以供类似工程作者简介：邱土兴（19 8 9-），男，福建龙岩人，本科，工程师，主要研究方向为轨道交通工程、市政工程岩土、结构设计。参考。1工程概况1.1工程概况某车站为地下两层双岛四线车站，全长为3 0 6.9 m。车站主体采用框架结构，其非上盖区域顶板覆土深度在1.0 3.0 m之间，底板埋深在13.7 2 4.0 m之间。车站当中的顶板、中板采用平坡的形式，在底板处设置“人”字坡。车站中心里程为右YDDK8+239.350，里程范围在YDDK8+149.9-YDDK8+455.250。1.2工程地质与水文条件根据勘察报告提供的资料，本地区的地层结构可分为三组大层，共包含5组次亚层。从上往下分别为：素填土层，厚度在4 12.1m之间；粉质黏土层，厚度在0.7 8.6 m之间；全风化泥质粉砂岩层，厚度在0.5 6.7 m之间；强风化泥质粉砂岩层，厚度在0.6 16.6 m之间；中风化泥质粉砂岩层，厚度大于14.146.5m。通过现场调查，发现该场地地表水的发育程度较低，仅有一处地表水体。在线路右侧的YDADK8+547处，还可以看到一条宽约1.5m的水沟，用于排水，与线路相交。2模型建立1952023年4月工程技术与应用江西建材2.1建立有限元模型为研究地震作用对上盖物业与地下车站的影响，本文采用MidasGTSNX软件进行三维有限元计算，根据车站实际地层与本工程设计资料，建立了三维有限元计算模型，见图1，对比分析非上盖物业区车站主体结构与上盖物业区车站主体结构在地震工况下的变形特点，同时给出抗震区域的定性分析和建议。建模时还进行了如下简化处理。计算采用的几何模型范围在各方向上的尺度分别为：车站纵向（x轴）取40 6 m；车站横向（y轴）方向取3 9 0 m；竖直方向（z轴）取16 0 m，该模型的边界尺寸可以忽略边界效应的所带来的误差。M I D A S/G T S 程序在边界节点上设置二维自由场模拟边界约束，底部采用固定支座。采用梁单元模拟地铁主体结构与上盖物业的梁与柱，三结点三角形板单元模拟地铁结构与上盖物业板面层、侧墙及剪力墙结构，模型采用实体单元来模拟土层。图1计算模型示意图2.2参数选取本次计算中的地层和结构材料参数依据该车站的岩土勘察报告以及工程经验选取。各地层和结构的主要材料参数取值见表1和表2。表1主要构件尺寸参数表砼强度砼强度构件尺寸/m构件/m尺寸/m等级等级顶板0.6C35桩基1.2C35中板0.4C35柱1(bh)1.5 1.3C50底板0.9C35柱2(bh)1.2 1.2C50侧墙0.7C35柱3(bh)1.2.1.2C45顶纵梁1.0 1.4C35柱4(bh)0.9 0.9C35(b h)中纵梁1.01.1C35上盖物业板0.12C35(b h)底纵梁1.2 2.0C35上盖物业染0.40.9C35(bh)表2围岩及结构材料参数表泊松比容重弹模摩擦角黏聚力材料参数/MPa/C/kPa(kN/m)素填土0.4193.2105全风化泥0.3919.4302120质粉砂岩强风化泥0.3519.43002530质粉砂岩中风化泥0.325.630003550质粉砂岩C350.2025.031500C450.2025.033500C500.2025.034500C600.2025.0360002.3边界条件有限元法（FEM）可以模拟半无限介质的波动问题，在软件当中使用二维自由场模拟边界条件来设置边界节点，避免应力波的反射带来的影响，同时底部采用固定支座。2.4分析工况该车站的抗震设防烈度为6 度，按规范规定，可只考虑水平地震作用，不考虑竖向地震作用。本次计算分析中选取的地震动时程基准期为50 年，超越概率为2%，加速度最大值为0.12g，时程采样间隔时间为0.0 2 s。通过计算得到各个关键节点的位移变化情况，选取最不利情况下的位移结果云图进行对比分析，并与规范值比较，判断其安全性。3计算结果分析利用软件进行计算，并提取了几个重要时刻结构的位移云图，如图2 和图3 所示。从图2 和图3 可以看到，结构在受到水平地震荷载的作用之后，其水平位移规律基本上是保持一致的，这意味着结构上的各个关键节点的变形方向相同。对各个关键节点的水平位移时程曲线分析，可以发现绝对最大水平位移出现在0.6 s的时刻，此时地铁车站上盖高层的水平位移最大值为7 7 mm，层间位移最大差值约5mm，层高约为3 9 0 0 mm；而地铁车站的主体结构层间位移最大差值约为0.0 47 8 mm，层高约为6 2 50 mm；非上盖物业区地铁车站主体结构的层间最大位移差值约为0.00083mm，层高约为6 6 0 0 mm，满足规范当中的弹性层间位移限值。MELDISPLACEXENTTY+7702450+00039207a+000D038$30+00014007e+001+001+00199e+001+001607e+001$104+001600144+001001742200010.00010812图2车站上盖物业区结构Y向位移云图196上接第19 3 页）2023年4月江西建材工程技术与应用MELDISPLACEXETTT21288e-00634154ee-006470216006598874-00672754000656204-006537018-00698487-00611353e-006346054-006242204-00637005-00649953+-006628196-0065T5606e006图3车站非上盖物业区结构Y向位移云图车站的层间位移差数值较小，这是因为车站地层条件优越，大部分为强、中风化泥质粉砂岩，这些围岩的刚度比较高。在数值模拟分析中，车站主体结构与围岩相互作用，在地震的作用下，结构各点之间的水平位移基本上保持一致，差异性比较小，呈现出整体振动的趋势。4结语通过上述计算分析结果，可以提出以下结论以及针对性的风险控制措施。（1）结构在受到水平地震荷载的作用之后，其水平位移规律基本上保持一致，说明结构上的各个关键节点的变形方向相同。对各个关键节点的水平位移时程曲线进行分析，可以发现绝对最大水平位移出现在0.6 s的时刻，此时地铁车站上盖高层的水平位移最大值为7 7 mm，层间位移最大差值约5mm，层高约为3 9 0 0 mm；而地铁车站的主体结构层间位移最大差值约为0.0478mm，层高约为