• ISSN 1673-5722
  • CN 11-5429/P

双向地震动作用下单拱大跨地铁车站结构地震响应分析

项宝 孙佳佳 周楠

项宝,孙佳佳,周楠,2023. 双向地震动作用下单拱大跨地铁车站结构地震响应分析. 震灾防御技术,18(2):369−379. doi:10.11899/zzfy20230218. doi: 10.11899/zzfy20230218
引用本文: 项宝,孙佳佳,周楠,2023. 双向地震动作用下单拱大跨地铁车站结构地震响应分析. 震灾防御技术,18(2):369−379. doi:10.11899/zzfy20230218. doi: 10.11899/zzfy20230218
Xiang Bao, Sun Jiajia, Zhou Nan. Seismic Analysis of Single-arch and Large-span Subway Station Structure under Bidirectional Ground Motion[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2023, 18(2): 369-379. doi: 10.11899/zzfy20230218
Citation: Xiang Bao, Sun Jiajia, Zhou Nan. Seismic Analysis of Single-arch and Large-span Subway Station Structure under Bidirectional Ground Motion[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2023, 18(2): 369-379. doi: 10.11899/zzfy20230218

双向地震动作用下单拱大跨地铁车站结构地震响应分析

doi: 10.11899/zzfy20230218
详细信息
    作者简介:

    项宝,男,生于1982年。高级工程师。主要从事轨道交通和地下工程设计工作。E-mail:457203709@qq.com

  • 11 李洋,2018. 浅埋地下框架结构地震破坏机理研究. 北京:北京工业大学.

Seismic Analysis of Single-arch and Large-span Subway Station Structure under Bidirectional Ground Motion

  • 摘要: 地铁车站结构作为现代城市交通工程的重要组成部分,其抗震问题已成为城市工程抗震和防灾减灾研究的重点与难点。以深圳地铁3号线四期低碳城单拱大跨车站为研究对象,采用近场波动有限元方法,建立三维土-结构相互作用整体有限元分析模型。选取3条人工波和3条天然波作为输入地震动,分析水平单向地震动、水平与竖向双向地震动作用下单拱大跨地铁车站结构三维地震响应规律。研究结果表明,双向地震动作用下单拱大跨无柱结构及矩形框架有柱结构的水平位移及层间位移均略小于单向地震动作用下,但矩形框架有柱结构在竖向地震动作用下的中柱轴压比明显增加,说明单拱大跨车站结构可有效降低双向地震动作用下中柱轴压比变大的风险;双向地震动作用下的结构峰值弯矩大于单向地震动作用下,说明进行结构设计时应适当考虑竖向地震动作用的影响;单拱大跨无柱结构拱顶弯矩明显小于矩形框架有柱结构顶板跨中弯矩,改善了常规矩形框架结构顶板受力性能,但由于单拱大跨无柱结构缺少中柱竖向支撑作用,其底板及侧墙底部弯矩明显大于矩形框架有柱结构,尤其在双向地震动作用下更明显,因此单拱大跨无柱结构需加强底板及侧墙的厚度与配筋,以抵抗较大的弯矩响应。
    1)  11 李洋,2018. 浅埋地下框架结构地震破坏机理研究. 北京:北京工业大学.
  • 图  1  三维有限元模型

    Figure  1.  Three-dimensional finite element model

    图  2  标准断面位置示意

    Figure  2.  Position of standard section

    图  3  车站结构标准断面尺寸(单位:毫米)

    Figure  3.  Standard section size of station structure(Unit:mm)

    图  4  三维黏弹性人工边界

    Figure  4.  Three-dimensional viscoelastic artificial boundary

    图  5  人工波基岩加速度时程曲线

    Figure  5.  Bedrock acceleration time history of artificial wave

    图  6  人工波相应反应谱对目标谱的拟合曲线

    Figure  6.  The fitting of the corresponding response spectrum of artificial wave to the target spectrum

    图  7  天然波基岩加速度时程曲线

    Figure  7.  Bedrock acceleration time history of natural wave

    图  8  地铁车站结构最大水平位移时刻结构变形云图(单位:米)

    Figure  8.  Cloud diagram at the moment of maximum horizontal displacement of subway station structure (Unit: m)

    图  9  C—C′断面顶、底板相对位移时程曲线

    Figure  9.  Relative displacement time history of the top and bottom plates of the C—C′ section

    图  10  D—D′断面顶、底板相对位移时程

    Figure  10.  Relative displacement time history of the top and bottom plates of the D—D′ section

    图  11  C—C′断面弯矩云图(单位:千牛·米)

    Figure  11.  Bending moment cloud diagram of C—C′ section(Unit:kN·m)

    图  12  D—D′断面弯矩云图(单位:千牛·米)

    Figure  12.  Bending moment cloud diagram of D—D′ section(Unit:kN·m)

    图  13  车站柱网轴力云图(单位:牛)

    Figure  13.  Axial force cloud diagram of column grid in station(Unit: N)

    表  1  场地土物理参数

    Table  1.   Physical parameters of ground soil

    层号土层描述层厚/m密度/(g·cm−3剪切波速/(m·s−1泊松比
    1素填土2.41.90155.00.35
    2粉质黏土6.41.92220.80.35
    3砂质黏性土5.41.95282.40.28
    4全风化花岗岩8.21.97362.00.33
    5强风化花岗岩13.12.10470.60.25
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    表  2  土层模量比和阻尼比

    Table  2.   Modulus ratio and damping ratio of soil layer

    土类参数剪应变γ/10−4
    0.050.10.5151050100
    素填土$ G/{G_{\max }} $0.960 00.950 00.800 00.700 00.300 00.200 00.150 00.100 0
    $ \lambda $0.025 00.028 00.030 00.035 00.080 00.100 00.110 00.120 0
    粉质黏土$ G/{G_{\max }} $0.995 00.988 00.939 00.876 00.572 00.401 00.145 00.075 0
    $ \lambda $0.015 00.026 00.043 00.044 00.069 00.074 00.094 00.098 0
    砂质黏性土$ G/{G_{\max }} $0.996 20.910 00.964 00.931 30.737 30.593 60.236 70.138 0
    $ \lambda $0.012 00.015 90.030 10.039 30.068 80.082 60.106 00.110 9
    全、强风化岩$ G/{G_{\max }} $0.990 00.970 00.900 00.850 00.700 00.550 00.320 00.200 0
    $ \lambda $0.004 00.006 00.019 00.030 00.075 00.090 00.110 00.120 0
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    表  3  车站结构变形

    Table  3.   The deformation of the station structural

    工况结构最大水平位移/mmC—C′断面D—D′断面
    位移差/mm位移角位移差/mm位移角
    113.69.181/1 8105.521/3 011
    211.47.791/2 1345.381/3 089
    313.610.541/1 5777.451/2 231
    412.48.991/1 8495.281/3 148
    511.77.661/2 1705.121/3 246
    613.99.231/1 8016.891/2 412
    711.46.571/2 5302.481/6 702
    812.57.121/2 3343.571/4 655
    911.26.421/2 5892.471/6 729
    1011.86.391/2 6012.251/7 387
    1112.16.831/2 4333.121/5 327
    1211.66.251/2 6592.081/7 990
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    表  4  车站结构标准断面弯矩

    Table  4.   Bending moment of standard section at station structure

    工况C—C′断面/(kN·m)D—D′断面/(kN·m)
    拱顶拱底侧墙(左)拱顶拱底侧墙(左)
    12872 1471 2113711 192589
    22982 3341 2754061 223594
    33222 5611 3904651 373619
    44413 0151 7685831 636654
    54672 9941 6385911 669668
    64813 2691 8416211 791709
    72182 0561 4602971 118570
    83412 5891 6483311 325651
    92352 1521 4632851 211581
    1067.22 2801 7242231 258344
    11922 5581 8893711 568473
    12742 3171 7592451 301371
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    表  5  车站结构柱网最大轴力及轴压比

    Table  5.   Maximum axial force and axial compression ratio of station structural column network

    工况最大轴力/kN最大轴压比工况最大轴力/kN最大轴压比
    111 4210.618710 5130.569
    211 0600.598810 9470.592
    311 3800.616910 6950.597
    411 5040.6221012 2710.664
    511 1450.6031112 3410.668
    611 3930.6161212 3140.666
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  • 收稿日期:  2021-09-01
  • 刊出日期:  2023-06-30

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