苏留锁
（中国铁建十六局集团有限公司，北京，朝阳，100018）
【摘 要】随着城市建设的不断深入，发展城市交通成为当前一个重要的任务和战略目标。其中地铁作为现代化交通工具，为城市人民提供很大的便利。但是地铁车站的设计既要方便人民出行，又要满足复杂地下结构的抗震需求。本文结合实际工程案例，软土地铁车站结构三维震动模型建立在试验拟合的基础上，利用计算软土地铁车站结构三维地震的计算方法，根据工程实际情况，探讨软土地铁车站结构与地下综合体结构的三维地震响应规律。希望通过本文的分析能帮助相关技术人员更加深入的了解相关规律，以便更好的开展工作。
【关键词】软土地基；地铁车站结构；三维地震；计算方法
随着城市化进程的加快，城市化生态环境也在不断发生变化，如何合理利用城市地下空间成为民众关心的热点问题，同时，发展地下铁道为主的公共交通系统是解决城市拥堵的重要措施。世界上大多数发达国家，地铁交通系统在城市中发挥着非常重要的作用，近几年，我国地铁建设也在迅猛发展着，多数城市已建或正在筹建地铁和轻轨，过江隧道也在积极筹建中，我国已进入地铁建设的黄金时代[1]。抗震问题是软土地铁车站结构的首要问题，对地铁车站结构进行分析，三维地震响应计算方法对软土地铁车站结构设计方案进行探讨，通过实践验证该方法的可行性，检验其抗震稳定性，对地下结构抗震设计有一定的参考价值。
1．软土地铁车站结构体系的三维地震响应计算理论与方法
1.1波动法
一般圆形隧洞项目比较适合采用该种方法，针对隧道中的两种波，即SV波和P波进行分析。并且在无限域中解析隧道中存在的SH波，通过半无限域中隧道波的积分方程能得出离散解。该方法最早被应用于波函数中，主要是对隧道的波绕射以及动应力进行计算。随着实践的研究发现，无限弹性中波在隧道中进行传递时，会与隧道中的土体产生相互作用，通过进一步的证实，学者发现波动计算方法，能分析入射的SH波，且能更加准备的探讨隧道地下洞室与地面的实际距离，从而得知产生波动的主要影响因素。随着我国轨道交通的发展，相关学者也投入到研究中来，1987年，研究出各向异性介质中圆柱体对SH波散射的理论；1988年，将求解同性介质弹性波的方法用来求解异性介质中SH波对圆孔的远程位移问题。射线理论只适用于散射体尺度大于波长这一情况，并不能解决非线性问题[2]。总体说来，波动法能将实际中的很多问题简化，但地层实际情况复杂多变，地震波产生的反射及折射现象复杂多变，不能完全在掌握之中，运用到实际工程中还存在一定的问题。
1.2相互作用法
相互作用法为一种结构力学方法，其地震响应是根据结构主体计算得出，分为子结构法及直接法两种。子结构法由源问题、阻抗函数及给定基础下结构反应三个环节组成，其中最为关键的是阻抗函数，只有确定了阻抗函数，才能得出振动位移与外力的相互关系。而实践证明，其与诸多因素有关，包括材料性质、土层情况及基础类型等等。外国学者在子结构法的基础上，将其与有限元法相结合，得出一种新的地下结构抗震计算方法。而我国学者利用动力子结构研究对轨道交通与多层地基相互作用的问题加以研究，得到频数与波数及周围地基的振动析解。子结构法理论上适用于线性系统，因此使用范围有限，且不能直接获得土体中的位移情况。直接法能得出地铁结构与隧道土体的动力反应，它将软土土基与基础结构等视为一体进行抽象计算。考虑地基土的非线性特性情况下，难以通过此种方法计算出地震荷载作用下的反应，一般采用数值法或半数值法求解[3]。
1.3其他方法
其他方法包括有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法、耦合法或杂交法，每种方法都有自身的优势，但同样存在一定的局限性。所以，无论使用任何哪一种方法，都需要根据轨道工程实际情况，认真进行项目分析，做到具体问题具体分析，采取适当的方法。下面将针对上述介绍的方法，结合具体工程实践案例进行探讨，具体分析如下。
2．案例研究
2.1案例概况
以武汉轨道交通二号线为例，隧道总长41.65km，地下线路总长29.0km，高架线路长12.65km，整条线路共设32座车站，地下车站占据21座，主要采用的结构模式包括：地下一层岛式、地下两层框架结构、地下两层三跨结构及地下四层框架结构等，本次研究的主体是地下一层岛式结构模式的三维地震响应规律。车站水平宽18m，长192m，高6.9m，其横剖面图如图1所示：
图1 车站结构图
本文使用美国开发出的三维显式有限差分法程，即FLAC3D软件方法,其具备：计算过程简单，不需要储存较大刚度矩针，最大限度节省内存；采用混合离散法技术，使得计算结果更为准确；采用显示差分求解，能在求解线性方程相同的时间内，求解出非线性应力方程，节省计算时间，提高计算效率；采用全动力学方程，能更好地分析非稳定过程，解决有限元法不能解决的问题等优点[4]。
2.2软土地铁车站结构三维震动模型构建
2.2.1土的动力本构模型
动力试验表明软土动应力应变关系的模型表现为：
3．结果分析
3.1动力响应计算的相关条件
计算静力时，假设处于一个水平面，将底部垂直固定，将上表面定为自由边界。动力计算时，在模型水平面上施加自由场边界条件，底部边界和上表面边界的计算与静力计算保持一致。
3.2土的结构接触面性状模拟
3.2.1柱端弯矩
根据分析得知，第5根柱子的柱端弯矩为0．9，从而得出车站前后端墙对柱端弯矩的影响范围达5根柱距，即5×8m／18=2．2 m；车站纵向柱端的弯矩最大，可按平面应变问题考虑车站纵向跨，对其结果进行结构设计后得知，结构较为安全。
3.2.2柱子变形分析
根据分析得知，地震强度下车站结构整体性能良好，各部位变形一致。
3.2.3地震荷载引起结构内力的增幅
抗震设计中，控制截面一般选择结构承载力最强的部位。根据上述动应力计算方法，得知车站整体结构的最大受力是纵向跨中部位。然后将该截面在静态和动态两种情况下产生的内力进行比较，就能得出地震荷载产生的结构内力的增幅强度，从而能得出科学的抗震设计方案。
结束语
综上所述，随着城市化进程的加快，交通拥堵成为城市的首要问题，地铁交通枢纽的发展方便人们出行的同时，更促进交通事业向更高层次发展。本文阐述了软土地铁车站结构体系的三维地震响应计算理论与方法，通过实际案例，得知了软土地铁车站结构与地下综合体结构的三维地震响应规律，对地铁车站结构的地下受力情况及抗震情况做出分析，希望能为相关技术人员提供一定的参考价值。
参考文献：
[1]张海,王雪杰,李雅. 地震波输入方向对软土地区车站结构响应的影响[J]. 世界地震工程,2014,02:29-35.
[2]黄景琦,杜修力,田志敏,金浏,赵密. 斜入射SV波对地铁车站地震响应的影响[J]. 工程力学,2014,09:81-88+103.
[3]李笑穹,李忠献. 地铁车站-隧道连接段结构地震响应分析[J]. 北京工业大学学报,2014,08:1213-1218.
[4]刘元文,任晓峰. 交叉地铁车站地震响应分析[J]. 武汉理工大学学报,2013,07:75 -78.
论文作者:苏留锁
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年8月供稿
论文发表时间:2015/12/7
标签：结构论文; 车站论文; 地下论文; 地铁论文; 方法论文; 隧道论文; 土地论文; 《工程建设标准化》2015年8月供稿论文;