基于子结构法的地铁车站地震反应分析论文

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1、基于子结构法的地铁车站地震反应分析论文摘要：对1995年日本阪神地震中地铁车站的破坏情况进行了调查，深入分析了地铁车站的地震破坏机理。采用二维子结构分析方法（SASSI2000）分别对水平向和竖向地震动作用下神户大开地铁车站的地震反应进行了数值模拟分析。在建模时把地铁车站上方的土体作为车站的附属结构，首先采用SHAKE91程序计算自由场土体的动剪切模量和阻尼比，在SASSI2000中不再考虑土体的非线性。将计算结果与1995年阪神地震中该车站的震害进行了详细地对比分析发现所得的地震反应规律与其震害

2、完全吻合，其计算结果能够合理的解释神户大开地铁车站的各种震害现象。因此，对地下车站的抗震设计具有一定的参考价值和指导意义。关键词：地铁车站；子结构法；抗震设计；地震反应1前言以往人们普遍认为，地下结构具有较好的抗震性能，但全球范围内多次地震震害的破坏现象显示.freel的地铁区间隧道发生破坏，其中大开车站最为严重，一半以上的中柱完全坍塌，导致顶板坍塌破坏和上覆土层的沉降，最大沉降量达2.5m之多。据神户高速铁路公司报道，不计高架桥结构破坏造成的损失约为300亿日元，修复大开站需要100亿日元，修复

3、隧道约180亿日元。目前关于地下结构抗震设计的主要方法为反应位移法，该方法由20世纪70年代日本学者提出1，该方法假定地下结构和周围地层之间通过各种弹簧连接，把由地震荷载引起的自由场变形直接通过文克尔土体弹簧作用于地下结构，把土体质点位移以正弦曲线的形式给出。这种简化模型的确给地下结构的抗震设计带来了很大的方便。但是，由于土体在地震作用下的动力特性非常复杂，又存在地区的差异性，因此很难准确地确定这种土体弹簧在地震荷载作用下的弹簧系数。同时，该方法没有考虑结构本身的惯性力，采用了拟静力计算方法，因此

4、很难真实地反应地震时地下结构的响应。随后，有许多学者在反应位移法的基础上提出改进或类似的方法，如ShuklaD.K,RizzoP.C(1980年)提出了Shukla法2，JohnP.Pa。该车站的中柱间距为3.5m，大开车站结构所用混凝土的设计强度估算值为：轴心抗压强度为1.5×104kPa，弯曲抗压强度为1.65×104kPa，抗拉强度为1.5×103kPa。大开地铁车站上方覆土厚度在标准段为4～5m，为了考虑中柱的间距对二维有限元分析的影响，采用中柱弹性模量折减法，算得中柱的等效模量为0.86

5、×104MPa；大开地铁车站所处地层的主要组成为：表层为填土；下面为全新世砂土，该层厚度约为3m；再下为海积相粘土，该层厚度约为9m；最下面的土层为更新世砂砾层，该层的厚度约为5m。本文所选的车站结构为震害最为严重的结构，其横剖面图如图2所示。由于缺少该地方的地质资料，根据已有的研究，对各层土的剪切波速取值分别为：140，170，240，330m/s。对于土的非线性，采用水平成层土场地地震反应分析程序SHAKE91来计算8，计算所得的土体剪切模量和阻尼比作为程序SASSI2000的土动力参数输入。

6、由于缺少1995年日本阪神地震强震记录，因此本文根据文献9中关于1995日本近场强地震记录的特点，选取LomaPrieta地震中记录的相似加速度时程（见图3）进行地铁车站地震反应特性研究，考虑水平向地震作用下地铁车站的地震反应时，把加速度峰值调整为0.40g；考虑竖向地震的影响时，把加速度调整为0.15g。由于地铁车站是一个细长形结构，本文只考虑横向地震作用下地铁车站的地震反应，因此可以用平面应变问题来求解。JohnLysmer等提出的子结构建模方法，只适用于求解上部结构与土体的动力相互作用，为了

7、使该计算方法适用于求解地下结构与土体的动力相互作用，本文把地下结构顶板正上方的土体当作地铁车站的附属结构来考虑，该部分土体的非线性采用SHAKE程序计算，SASSI2000程序计算中不再考虑其非线性，具体的计算模型如图4所示。4计算结果与分析为了说明大开地铁车站的地震反应规律，利用SURFER7后处理软件分别对水平向地震和竖向地震作用下引起的地铁车站水平向正应力、剪切应力和竖向正应力计算结果进行整理，得出如图5所示的结果云图，对地铁车站在水平和竖向地震作用下的反应规律具体分析如下：（1）在水平地震

8、作用下，大开地铁车站的中柱上端和下端产生很大的剪切应力，很可能发生剪切破坏，尤其是中柱下端发生剪切破坏的可能性更大，如图5(a)；在地铁车站的顶板和侧墙连接部位的附近产生很大的拉压应力，这些部位很容易发生拉压破坏，如图5(a)，图5(c)；在各构件的连接处附近应力集中现象非常明显。（2）在竖向地震作用下，地铁车站的最大应力反应与水平荷载作用下的结果明显不同，具体表现为：中柱的轴向压应力值明显大于其它部位的反应，中柱很可能发生压碎破坏，如图5(f)；在中柱两侧附近的顶板和底板处产生很