抗震性能地铁论文范文

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1计算模型

1.1计算模型选取本文拟采用大型有限元分析软件ANSYS对青岛地铁保儿车站进行地震动力反应分析，并且与同跨度矩形断面地震动反应进行对比，同时针对青岛车站的震后破坏机理及抗震能力进行讨论。拱形断面有限元分析模型如图2所示。本文以上述拱形无中柱地铁车站结构作为计算模型，已有的数值模拟和以往的振动台试验研究结论表明［2－3］：当选取的土体模型平面尺寸与结构尺寸之比大于或等于5时，动力计算结果接近于稳定，侧向边界的影响可以不予考虑。本文所取模型的基岩位于地表以下60m，计算模型选取120m范围内的土体介质，两侧和下侧均为结构尺寸的5倍宽度。为了比较精确的模拟地震动对车站的影响，本文中采用粘弹性边界。

1.2土与结构的单元模拟青岛地区土层之间的物理力学性质相差较大，这里参考青岛地铁的勘测数据可知：青岛地区具有国内特有的硬质大理石岩地层条件，呈现上软下硬的分布特征。相对于目前的理论模型而言，为使有限元模拟结果尽量真实地反映青岛地区岩土的实际分布与地震反应，本文做如下假设：有限元计算模型中，结构周围土体部分与车站主体结构本身均选用四边形等参数位移协调单元来模拟，通过改变材料的弹性模量、粘聚力等力学参数来模拟不同土层的材料特性，如表1所示。基岩输入地震波，穿过底层约50m厚的大理石岩时，衰减较小，所以本文基岩输入地震波数据可以直接作为结构所在岩层高程的地震波输入，而且，与将地表所测地震波经过两次反演所得到的波形误差相比小很多。土体的动力本构模型采用非线性黏弹性模型，计算时采用Plane42来模拟土体，具体土体的本构模型介绍和具体的动力参数详可参考相关文献［4］。车站结构衬砌材料是C35钢筋混凝土，可以采用Beam3梁单元来模拟衬砌受力。衬砌混凝土材料参数如表2所示。

1.3人工边界的加载人工边界采用粘性边界即弹簧与阻尼器并联的形式。ANSYS中的COMBIN14单元由并联的弹簧和阻尼器单元组成，因此，可以借助于COMBIN14单元来实现模型粘弹性人工边界条件的加载。

1.4地震波的选择与输人本文选取EL－Centro波。在本次模型计算中为了缩短计算时间，同时达到说明问题的效果，对EL－Centro选取了加速度值较大的时段：0～16s，并且用SeismoSignal对地震波形进行基线修正，修正后可得到如图3所示的EL－centro波。

2有限元结果分析

2.1内力响应本文的动力反应分析主要是在同一地震波作用下比较两种结构（拱形和矩形断面）产生的动力响应：对结构顶板或拱顶，以及结构顶部与边墙的交接部位、边墙的底部、矩形结构底板中部四个控制部位进行具体内力和加速度分析。结构内力响应如图4～图11所示。ANSYS分析时采用10阶振型进行模态拓展。第1振型周期长，即相当于刚度较小，刚度小的结果就是容易发生变形。第1振型（低振型）贡献比较大，至最后的6～10阶贡献逐级降低，高振型的“共振”反应不如低振型。在抗震设计时，可以参考低振型振动周期推测结构的自振周期。由于篇幅原因，轴力以及位移时程和矩形结构时程结果不再以图的形式给出。地震动条件下拱形结构位移、内力最大值以及对应时间见表3，两种结构内力结果对比如表4。由图4～图11以及表3～表4可得到：拱形结构在地震作用下，墙脚部分弯矩、轴力最大，拱脚部分剪力最大。拱形结构和同跨度的矩形结构相比，各内力值尤其是剪力值明显减小，显现出了较好的抗震性能。

2.2加速度响应分析主要对比分析两种结构中拱顶和墙脚的加速度响应，如图12、图13所示。由此可知，在拱顶（顶板）处与顶板端点相比，矩形和拱形结构加速度时程响应相差不多；但是在墙脚处，矩形结构的加速度响应明显强于拱形结构。所以在一定意义上，采用拱形结构可以较好的缓冲地震动对于墙脚处（相对薄弱环节）的影响。

2.3动力和静力加载结果对比在地震荷载作用下结构各部位的内力与其在静力条件下的对比见表5。可见，拱形结构在水平横向地震作用下，承受了绝大部分的水平荷载。从表5可以看出：横向地震引起拱顶弯矩的增幅最大（33．65％），其次是拱脚（20．27％），而引起底板弯矩的增量最小（13．84％）。

2.4输入地震波的影响采用输入不同的地震波形式对拱形断面进行一步分析。输入汶川地震波（E－W向）与运用SIMQKE＿GR软件生成的人工地震波时的地震加速度时程曲线如图14、图15所示，其分析结果如表6所示。由表3、表4、表6可知：在不同地震波作用下，内力和变形的极值大都发生在波动反应的0．1～0．9s之间，说明此时地震波引起的土体振动频率与结构的自振频率相近，由此可以初步说明地下拱形钢筋混凝土结构的自振频率在1．1～10Hz之间。

3结论及设计建议

本文对青岛市国内首个明挖拱形无柱结构地铁站进行了地震反应分析，得出以下结论可供地铁车站等地下结构抗震分析及设计参考：（1）与一般明挖矩形断面的车站相比，拱形车站受地震反应内力较小，结构变形较矩形结构变形小，具有较好的抗震性能；而对拱形结构自身而言，在各部分的连接点上内力、主应力以及变形都是很大的（拱脚和墙脚），因此在这些部位要采取加强抗震措施（尽量使结构形状圆顺，以及加厚衬砌、通过改善结构的形状，或者采用抗震缝、仰拱等构造措施来加强结构的抗震性能），同时在这些部位应采用弹性节点连接，避免采用刚性节点。（2）对于不同波形，内力和变形的极值大部分都发生在波动反应的0．1～0．9s之间，说明此时地震波引起的土体振动频率与结构的自振频率相近，由此可以初步说明地下拱形钢筋混凝土结构的自振频率在1．1～10Hz之间，这对于今后的地下结构反映谱和地震影响系数的取值确定有一定的参考意义。

作者：张亚辉宋玉香郭唯伟单位：石家庄铁道大学土木工程学院