摘 要 首先选取了车站主体结构建立合适的有限元模型，并进行静力分析，然后分别采用了谱分析和动力时程分析两种不同的计算方法对车站进行抗震计算分析，对谱分析计算、谱分析和时程分析的计算结果分别予以对比，得出在水平地震力作用下车站结构的最不利受力位置。主要结论包括: 地铁车站结构的弯矩在静力时较小，在地震作用下其增幅较大，动力响应显著。地铁结构需要进行抗震计算，反应位移法、动力时程分析法均能适用于地下建筑结构的抗震分析。在水平地震力作用下，地铁车站结构中柱的地震轴力较大，是主要的承压构件，结构顶板的变形和应力比较大，容易发生破坏。因此在设计和施工过程中，应对上述部位予以足够的重视。

关键词 地铁车站 静动力分析 抗震分析

 

      地铁大规模兴建的历史仅有不到百年，又主要集中在少数经济发达的大城市，北美东部、欧洲等拥有大量地铁的地区，强烈地震很少发生，因此与地面结构丰富的震害记录相比，地下结构在历次地震中的震害记录较少、程度较轻。1995 年日本阪神地震对地铁车站及区间隧道的破坏引起了土木工程界的广泛重视。

      在阪神地震中，地下铁道车站的震害主要形式可归纳为: 中柱开裂、坍塌，顶板开裂、坍塌，以及侧墙开裂，靠近侧墙的楼板的隆起部位有竖向裂纹、横向裂纹等。震害的主要原因为:

      ( 1) 中柱的损伤差不多都是弯曲或剪切破坏，上下震动引起的轴力变化不是主要原因;

      ( 2) 一般认为只有轴力作用的箱形截面的中柱发生剪切及弯曲破坏是由于截面的上下楼板间发生了水平相对位移。这种水平相对位移是由于水平方向的地震动引起周围地基沿深度方向的位移差( 剪切变形) 。侧壁产生的水平方向的裂缝及结构拐角部位的破损可以用此来说明;

      ( 3) 破坏集中在中柱上是因为设计时只考虑了其承受上楼板的垂直荷载，抗弯曲、剪切的韧性降低，导致地震时中柱出现过大的向外弯曲和剪切变形。侧壁及楼板的抗弯曲和抗剪切的变形性能一般要比中柱要高。

      可见，对于阪神地震中地铁车站的破坏，大多学者认为是由于车站底部和顶部土体的相对位移使得中柱上施加的剪力过大最终导致了中柱的破坏。另外，遭受到由于破坏的车站距本次地震震中仅约 20 km，此次地震中的竖向震动非常明显，但是竖向运动引起的荷载并不是导致破坏的主导原因，而只是通过施加轴向荷载的方式降低了结构的抗剪强度和延性。结构抗剪强度和延性的不足是破坏的内部原因。

      地下结构尤其是地铁车站及区间隧道严重破坏的事实证明: 不能简单地认为地下结构具有较强的抗震性能、地震时不易遭受破坏。地下结构地震响应的主要特征为受到周围土层的制约，周围土层对地下结构的地震响应有着决定性的影响。地层沿深度方向振动的差异以及地质条件变化造成的沿水平方向振动的差异，以及部分饱和砂性土层的震动液化引起的土体侧向位移，都可能危及到地下结构的安全甚至造成破坏。

 

      ( 1) 地下结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用显著，结构的动力反应一般不明显表观出自振特性的影响。地面结构的动力反应则明显表现出自振特性，特别是低阶模态的影响;

      ( 2) 地下结构的存在对周围地基地震动的影响一般很小( 指地下结构尺寸相对于地震波长的比例较小的情况) ，而地面结构的存在则对该处自由场的地震动发生较大的扰动;

      ( 3) 地下结构的振动形态受地震波入射方向的影响很大，地震波的入射方向发生不大的变化，地下结构各点的变形和应力可以发生较大的变化。地面结构的振动形态受地震波入射方向的影响相对较小;

      ( 4) 地下结构在振动中各点的相位差别十分明显。地面结构各点在振动中的相位差不很明显;

      ( 5) 地下结构在振动中的主要应变一般与地震加速度大小的联系不很明显，但与周围岩土介质的应变或变形关系密切。对地面结构来说，地震加速度则是影响结构动力反应大小的一个重要因素;

      ( 6) 地下结构的地震反应随埋深发生的变化不很明显。对地面结构来说，埋深是影响地震反应大小的一个重要因素;

      ( 7) 对地下结构和地面结构来说，它们与地基的相互作用都对它们的动力反应产生重要影响，但影响的方式和影响的程度则是不相同的。

      总的看来，对地面结构和地下结构来说，虽然结构的自振特性与地基振动场对结构动力反应产

      生重要影响。但对地面结构来说，结构的形状、质量、刚度的变化，即其自振特性的变化，对结构反应的影响很大，可以引起质的变化; 而对地下结构来说，对反应起主要作用的因素是地基的运动特性，结构形状的改变，一般来说，对反应的影响相对较小，只引起量的变化。因此，在当前所进行的研究工作中，对地面结构来说，结构自振特性的研究占很大的比重，而对地下结构来说，地基地震动的研究则占比较大的比重。

      ( 1) 土介质为符合线性粘弹性模型的水平成层半空间，每一层土都是由一系列相互独立、水平方向无限伸展的薄层组成，即引进平面应变的假定;地下结构材料简化为均质各向同性粘弹性体。

      ( 2) 每一层土为均质、各向同性体，即每层土性质相同，最下层土覆盖在刚性基岩面上; 动力作用下，各层土之间、土 － 地下结构之间不发生脱离和相对滑动，即界面满足位移协调的条件。

      ( 3) 土层与地下结构的地震激励来自基岩面( 或假想基岩面) ，基岩面上各点的运动一致，即不考虑行波效应; 假定地震波是由基岩面垂直向上传播的剪切波和压缩波，不考虑地震波斜入射的情况; 系统的阻尼与振动频率无关，系统阻尼特性使用材料阻尼来描述。

      ( 4) 采用总应力分析方法，不考虑孔隙水压变化和砂土地震液化的影响，不考虑地震引起的地基沉降和失稳等。

      ( 1) 采用地层弹簧，根据结构的荷载情况和土层的物理性质计算地层弹簧的刚度值;

      ( 2) 底部边界( 即基岩处) 假定为水平和竖直方向均为固定;

      ( 3) 侧向边界: 由于在目前的工程抗震设计中，地震动输入大多为水平振动的剪切波，远离结构的地层的竖向变形可予忽略，因此侧向边界处的水平方向位移取自由，只须约束竖直方向的位移;

      ( 4) 顶部边界: 水平和竖直方向均为固定。

      一般认为地震动三要素为: ( 1) 地震动强度; ( 2) 地震动频谱特征; ( 3) 地震动持续时间。

      在选用地震波时，应全面考虑地震动三要素，并根据情况加以调整。

      根据上面所述地震波的选取原则，对于地铁地下车站结构而言，水平地震是造成破坏的主要原因，因此只考虑地震水平加速度的影响。北京地区没有发生过强度较大的有记载的地震记录，因此在进行地震反应分析时需要参考其他地区的地震资料。本文采用在地震反应分析时常用的美国 EI-Centro 波，T2 波两种典型的地震波曲线作为地震输入。地震波加速度时程曲线如图 1所示。

      在进行时程分析时，对地下结构体系分别输入EI-Centro 波和 T2 地震波两种地震加速度记录，并比较不同加速度输入对体系地震反应的影响; 而在对结构进行反应谱分析时，只选取 EI-Centro 波。

 

      对车站结构输入 EI-Centro 地震波，进行反应谱分析，得到结构的内力和变形，并与静力计算的结果作比较，得出车站结构在水平地震荷载下的最不利位置。

      图 2 为谱分析计算结果。计算结果表明: 通过比较静力和动力共同作用下两种情况的最大内力，可以看出，在地震作用时，地铁车站结构的最大内力如剪力和弯矩都有不同程度的提高，充分说明水平地震作用对地铁地下车站的影响不容忽视。

      地震作用下最大剪力出现在顶板和上侧墙的连接处，上侧墙的最大地震下的剪力为 891． 5 kN，明显高于其他部位的构件。最大弯矩也出现在顶板和上侧墙的连接处，和最大剪力出现的部位基本一致，顶板处最大地震作用下的弯矩为1 391．4 kN·m。充分说明相对于静力荷载下的车站结构内力，水平地震作用下地铁车站的最不利受力位置为顶板和上侧墙等车站上部结构，从而表明了在水平地震力的作用下拱形顶板不利于结构的抗震。

      基于地震对地铁车站结构产生的影响，对结构的薄弱部位应重点进行抗震设计，采取相应的对策，如增加侧墙与底板、顶板与侧墙连接处的刚度，加大截面的尺寸和混凝土构件的配筋，配置一定数量的抗剪钢筋为加密墙底部水平筋，增加底板端的钢筋。
      计算结果验证了神户地铁车站会产生大量的中柱震坏的原因。所以实际抗震设计时应当适当加大中柱和底板的刚度，以使车站结构构件的抗震能力相互协调，由此提高车站结构的整体抗震能力作为具体措施，对底板似宜适当增加配筋数量或在转角处加肋，对中柱则宜适当加大截面尺寸，同时适当增加配筋量，板柱的接头结构适当增加构造钢筋，以进一步提高车站结构的整体抗震能力。本车站设计中中柱采用钢管混凝土，正是考虑到普通钢筋混凝土的承载能力在地震荷载下可能达不到要求而设计的，是一项正确的选择。

      由结构的自振模态( 图 3) 可以看出:

      ( 1) 车站结构的变形主要发生在上部结构，下部结构形成近似一个箱形构件，变形相对于上部结构较小。

      ( 2) 自振开始不久，先是结构整体发生侧移，然后左右部分向中间挤压，致使顶板的中间跨发生很大变形。说明了拱形顶板在地铁车站结构的水平地震荷载作用下受力很不利。

      ( 3) 自振进行到后半部分，中柱发生明显的变形，尤其是下层中柱，这也是地震中地铁车站中柱发生严重破坏的原因。

      ( 4) 整体来看，车站结构的变形主要发生在顶板和中柱上，其他部分相当变形较小，这与前面的受力计算结果基本吻合，又一次说明了水平地震作用下，弧形顶板和车站中柱是抗震设计中最应该重视的部分。

      进行时程分析时，用不同地震波输入到同一结构，结构反应会有较大的不同。地面结构进行时程分析时就规定，必须选用至少两条实际记录的加速度时程曲线作为输入地震波，在此做地下结构动力时程分析时也参照这一标准，选取两条基岩波作为地震波输入，最终绘出结构在这些地震波作用下的结构内力包络图。

      对输入的地震波均调幅至设防地震烈度，即按0． 2 g 输入结构进行时程计算，结构横断面在水平地震作用下主要发生剪切变形。根据两条地震波的地震内力图绘出结构最大地震响应的内力包络图。

      分别对地铁车站结构输入 EI-Centro 波和 T2波，车站结构的内力包络图见图 4。

      结构在地震荷载作用下的动内力是结构抗震设计的主要依据之一。从图 4 中可以看到:

      ( 1) 车站结构底板的最大动轴力发生在中柱与底板连接处; 顶板的最大动轴力发生在顶板与中柱连接处; 中板的最大动轴力发生在中板与中柱连接处; 侧墙的动轴力在墙与中板连接处和墙与底板连接处，动轴力均比墙与顶板连接处的动轴力大，其中侧墙与底板连接处的动轴力最大; 中柱的最大动轴力发生在下柱与底板连接处。

      ( 2) 顶板的最大动剪力发生在顶板与中柱连接处，顶板与侧墙连接处的动剪力稍小于顶板与中柱连接处的动剪力; 中板的最大动剪力发生在中板与中柱连接处; 侧墙的最大动剪力规律和最大动轴力规律一样，在墙与中顶板连接处和墙与底板连接处的动剪力大于墙与顶板连接处的动剪力，在墙与底板连接处的动剪力达到最大; 中柱的动剪力分布规律是从柱与顶板连接处到柱与中板连接处不断增大，柱与底板连接处的动剪力则较小。

      ( 3) 顶板的最大动弯矩发生在顶板与侧墙连接处; 中板的最大动弯矩发生在中板与中柱连接处;侧墙的动弯矩在墙与中板连接处和墙与底板连接处的动弯矩均比墙与顶板连接处的动弯矩大; 中柱的动弯矩在中柱与顶板连接处和中柱与中板连接处大于中柱与底板板连接处，其中在中柱与顶板连接处的动弯矩最大。

       ( 4) 在整个车站结构中，侧墙和底板连接处的动剪力和动弯矩都达到最大，中柱与底板处的动剪力最大。

      对地铁车站结构输入地震波，然后进行内力分析，分别得到结构内力的最大值和最小值。通过对车站结构各主要构件的内力最大值与谱分析中得到的内力值进行比较，可得到以下结论。