软土中浅埋地铁车站结构的抗震性能分析

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1、软土中浅埋地铁车站结构的抗震性能分析摘要：两侧采用粘弹性人工边界，底部为全约束，建立合理的土与地下结构相互作用模型，通过有限元软件分析，比较研究土一地下结构相互作用分析中埋深、土层分布和结构类型等因素对地下结构抗震性能的影响。结果表明，埋深对地下结构影响比较大，选择合适的地质土层和结构类型能大大提高结构抗震性能。关键词:地下结构;抗震性能;数值模拟;人工边界0引言地下结构受周围地层约束，地震时一般与地层保持同步振动幅度及其引起的惯性力与地上结构相比均较小。在1995年1月17日日本兵库县南部地震以前，地下结构包括地铁车站的震害报道非常少，因此，地下结构被普遍认为具有较强的抗震能力。但

2、在兵库县南部地震中，神户市的大开地铁车站遭受到严重破坏，这是第一起地下结构的严重震害，因而引起人们的关注。宫必宁等［1］通过振动台试验，研究地震动输入对地下结构的影响，得出了侧壁位移、动土压力的变化规律。文献［2］研究竖向地震动对地铁结构中柱的破坏影响，认为竖向地震作用产生的破坏也相当大，在抗震设计中不能忽略，应予充分重视。高峰等［3］对不同地铁断面类型进行地震反应分析，确定结构衬砌的薄弱部位，为抗震设计提供了依据。研究地下结构在地震作用下的反应，无论对研宄地下结构的震害，还是对地下结构的抗震设计都有特殊的意义。本文选取典型地铁车站结构为研宄对象，在不同土层埋深、土层分布情况下，对地

3、下结构与土动力相互作用的动力特性和物理机制作进一步研究;对结构体系考虑地震动输入、土与结构相互作用、波动效应;分析体系变形结构地震动响应、破坏形态的机制，并讨论各因素的影响作用。1计算模型和参数确定计算模型选取本文研宄不同埋深、土层情况下地铁车站地震响应分析，选取的计算对象是一个位于软土地层中的浅埋地下钢筋混凝土结构，基岩面位于地表以下一定深度。地震时基岩面首先产生运动加速度，然后基岩运动以地震波的形式（包括剪切波和压缩波）由基岩面垂直向上入射，使土层和其中的结构产生加速运动，直至地表面。为简化计算，取地下结构和土层的典型断面，将实际的三维空间问题简化为二维平面应变问题来处理。地基截

4、取范粘弹性人工边界［5］不但可以模拟散射波由有限域向无限域的传播，同时也模拟了人工边界外地球介质的弹性恢复性能，可进行地震作用下土一结构动力反应计算，也可开展土一结构系统的模态分析。一般情况下地基边界范围取到结构的3倍，再引入人工边界，所得结果与引入无限元的情况差别不大［6］。本文计算范围取地下结构跨度的5倍，然后在土体两侧引入粘弹性人工边界，计算深度范围一般取到基岩为止，但由于此地铁车站软土覆盖很大，5Om以下地质资料较少见，本文只取计算深度为50m，即假定地震动由此高程输入。考虑地震作用过程中，假定地震动是由基岩垂直向上传播的压缩波或（与）剪切波。有限元网格划分该结构体系宽110

5、m，深度50m，结构与土体均采用平面应变单元，两侧人工边界采用弹簧-阻尼单元来模拟粘弹性边界，底部为全约束，通过设置合理的参数，以模拟地震动能量在边界的吸收和传播。采用合理单元大小对结构体系进行离散，以满足波传播和分析要求的需要。2地震反应分析以地铁车站为研宄对象，假设各种土层分布情况，研究对地铁车站的动力响应的影响。计算资料如表1所示。考虑4种埋深进行研究，分别为、6、10和25m,周围土体取均质土体。然后对不同土层分布进行分析研宄，各土层情况如图1所示，土层埋深均为。采用阪神Kobe波，如图2、3所示，考虑到竖向地震及水平和竖向地震的相互耦合，工况分别采用水平（x向）、垂直（y向

6、）和水平垂直双向地震动输入，垂直地震动加速度值取水平加速度的2/3。各种数值分析工况如表2所示。应力分析本次数值模拟主要考虑了不同埋深和土层分布下，结构的侧壁、中柱和结构顶板的受力情况。从图4可以看出在一定埋深情况下，结构应力随覆盖层厚度增加而增大，顶板土压力在两侧较大，顶板与中柱相交处的应力比较小，顶板跨中几乎没有变化，表明侧墙和立柱的约束限制了顶板与土体一起变形，在惯性力作用下，使得约束处产生较大的土压力。由图5可知，侧壁的底部应力最大，中柱的顶部应力最大，两者中间应力较小，应力呈马鞍状分布;覆盖层厚度变化，中柱轴向应力影响比侧壁大。图6为结构典型部位的应力，比较结果显示结构边墙

7、4个角隅处应力比较大，埋深在25m时，结构有些部位应力增大不明显。从以上几点看出，结构的设计准则应该提供有效的韧性，以吸收强加的变形，又不会丧失承受荷载的能力。由图7、图8可知，结构侧壁深入土体,结构应力有一定的变化，侧壁变化比较明显，特别是侧壁上端应力oy变化幅度大，有些部位略有增加；中柱应力两端略有减小，中间部位减小比两端多。由此显示侧壁削弱了结构竖向震动，同时也减小水平向变形，增强了与土体的整体性，提高了结构的抗震性能。位移分析从图9、图10可以看出