地铁交叉结构在水平地震荷载下的响应.doc

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1、摘要:基于FLAC有限差分软件，建立地铁车站与隧道超近距离交叉结构的有限元分析模型，在输入北京人工波的条件下，车站结构本身的动力响应都随深度的增加而减小;下穿隧道对上部车站结构的动位移及加速度响应有不同程度的减弱，且越靠近隧道部位减弱幅度越大，隧道的减震耗能现象存在于某一局部范围内;超近距离下穿隧道对上部车站结构的水平方向应力减弱效应明显，对竖向应力的减弱效应较弱。关键词:地铁车站交叉结构有限差分法地震响应在1995年日本阪神大地震中，共有5个地铁车站和约3km的地铁区间隧道发生破坏，证明地铁结

2、构抗震性能仍然有待进一步研究［1］。随着轨道交通的发展和地铁施工技术的日臻成熟，换乘车站逐渐增多，车站的空间交叉结构愈来愈普遍。地铁结构形式的多样化及空间结构的组合是未来地铁发展的必然趋势。以北京地区为例，目前已建成和规划但未建成的地铁交叉结构超过40余座。如果考虑到远期规划，则地铁地下交叉结构更多。对于地铁换乘站或交通枢纽，车站—车站、车站—区间隧道相互空间交叉，再加上相互间的连接通道，构成了错综复杂、相互影响的地下空间结构体。由于作用在交叉部位的地基位移分布不同，较一般地下结构更易产生较大变

3、形和附加内力;此外，地震波在一条隧道引起的横向剪切变形，会导致另一条隧道处于纵向拉压或弯曲的复杂应力状态［2-3］。地下立体式交叉结构在地震作用下的变形受力状态更加复杂，且相互作用显著［4-5］。但目前，对地铁结构空间交叉条件下的地震响应和上下结构之间的相互影响还不清楚，抗震设计更是一片空白，相关的研究尚未见任何报道，无法指导抗震设计，这是在地铁抗震研究与设计中亟待解决的问题。本文基于FLAC有限差分软件，以北京地铁新建7号线与10号线交叉处的双井车站与隧道超近距离交叉结构为原型建立模型，在水平

4、输入合成的北京人工波的基础上，对车站结构的地震响应应力、位移及加速度进行比较分析，研究地铁交叉形式下对车站地震响应影响规律。1模型建立以北京地区在建7号线与10号线交叉双井站为研究对象建立模型，车站交叉部位为单层双跨拱形结构，车站宽20.00m，高9.64m，中柱的直径70cm，初衬厚度为35cm，二衬厚度为70cm，车站埋深为13.70m。下穿隧道为方形并行结构，边长为6.40m，总厚度为95cm。车站与隧道的夹层土体厚度为35cm。在满足计算精度的要求下，车站模型尺寸选定为140m×50m×

5、70m，为了提高计算效率，在车站和隧道处网格局部加密，共生成139664个计算单元。混凝土采用弹性模型模拟，密度为2600kg/m3，泊松比为0.2，弹性模量为4.83GPa。土层采用Mohr-Coulomb模型，其模型参数如表1所示，模型如图1所示。2动力参数选取在使用FLAC进行地铁交叉结构动力计算时，作以下假设:1)在模型底部输入地震动，且土体与结构一起运动，不考虑出现相互滑移、脱离现象;2)输入地震波为以地表参数控制的人工合成北京人工波，不考虑地震峰值加速度随地层深度的增加而发生的变化;

6、3)动力计算时，不考虑水的影响，即不考虑孔隙水压力的变化和地震液化现象。计算中选择瑞利(Rayleighdamping)阻尼实现土在循环动荷载下的非线性和滞后性，而且实践证明计算地震响应规律比较符合实际［6-8］，阻尼参数参考文献［7］选取，如表2所示。计算时，模型顶部采用自由边界，侧面采用FLAC自带的自由场边界。底部采用静态边界。输入动荷载时，将加速度、速度时程通过式(1)～式(2)，转化为应力时程施加在模型底部。σn=－2(ρCρ)υn(1)σs=－2(ρCs)υs(2)式中，σn，σs分

7、别为施加静态边界上的法向应力和切向应力;Cρ，Cs分别为ρ波、s波的波速;vm，vs分别为模型边界上法向和切向速度分量;ρ为介质密度。3加载方案根据《中国地震动参数区划图》GB18306—2001提供的北京地区反应谱特征周期0.35s，地震动参数0.2g，采用以反应谱为目标谱的三角级数叠加法合成人工地震动，即用平稳高斯过程与强度包络线相乘，并通过迭代，使其反应谱逐渐逼近所设定的目标谱，最终得到一个非平稳的加速度时程曲线，如图2、图3所示。模型计算时，分两种工况进行地震波水平加载，且加载方向均平行

8、于车站横断面:工况1:10号线车站结构模型;工况2:10号线车站结构与7号线隧道交叉结构模型。4结果分析为分析车站在下穿隧道结构时的地震响应，分别在车站模型的跨中截面(定义为1)，隧道上部截面(定义为2)以及边缘截面(定义为3)的中柱和侧墙上布置监测点，监测竖直和水平方向的应力，水平方向的位移和加速度变化，如图4所示。4.1水平位移分析施加地震波后，工况2车站跨中截面中柱的位移时程曲线如图5所示，结果显示:各点的位移时程曲线规律相同，且变化趋势相似于施加的地震波。中柱上各点的位移值随深度的增加而