摘要：研究目的：以南宁某无柱大跨地铁车站作为研究对象，采用大型通用软件ABAQUS软件建立考虑土-结构动力相互作用的三维有限元整体计算模型，通过局部人工边界的施加，实现了开放系统向封闭系统的转换，对土-地铁车站结构动力相互作用的整体模型进行模态分析，得到车站以及地基的振型特征。分析地铁车站结构在Taft波、南宁人工波以及EL地震波作用下的反应，得到相应的加速度时程曲线，进一步在结构两侧增加苯板去研究消能减震的可行性。
研究结论：从分析结果可知，所建的有限元模型与试验情况所得的加速度时程曲线是一致的，其建模方法是合理的；采用苯板作为隔震措施可以有效消弱地震波对结构的影响。
关键词： 地下工程；黏弹性人工边界；地铁车站结构；土-结构动力相互作用；Taft波；EL波
1 引言
目前国内地铁车站虽然多采用双柱三跨或单柱双跨的传统车站结构，但采用无柱大跨结构是未来地铁车站设计的趋势。无柱大跨地铁车站不仅视野通透，空间感好，也利于客流组织，方便楼扶梯的摆放和综合管线的敷设。近年来广州、青岛、北京等地区的地铁车站已开始探索使用无柱大跨结构，其中广州地铁二号线的市二宫站、青岛地铁 3 号线保儿站、北京地铁亦庄线宋家庄站、肖村桥站就釆用了无柱式地铁车站。该无柱式车站公共区域不设置柱，板(梁)跨度较大，为无柱大跨车站结构，致使该结构的受力和变形比一般小中跨结构大许多。尤其是车站顶板，要承受覆土荷载，土压力及地面活荷载的压力导致顶板内力较大，对车站结构的选型有了更高的要求，以满足车站结构的受力和变形。
上世纪60 年代以前，地下结构的抗震设计几乎全部都采用的是和地上结构相同的设计方法。相关的独立的地下结构抗震设计体系，直到上世纪 70 年代以后才逐步得以发展形成。尤其是在1995 年 7.2级烈度的日本“阪神地震”后，对神户市内地下结构造了有史以来最严重的破坏，地下铁路、停车场、隧道、商业街等大量地下工程均发生严重破坏，其中引人注目的是，地铁车站的破坏最为严重[1]。国内多位学者都对地铁地铁车站结构进行了动力分析和数值模拟[2-6]，但是对于无柱大跨地铁车站结构的研究还较少。 因此，为了填补相关研究空白，本文对地震作用下无柱大跨地铁车站结构进行了研究分析。
2 工程概况
金桥客运站是南宁轨道交通5号线一期工程终点站，站位位于金桥客运站站前，站位南侧为金桥客运停车区，北侧为那考河支流及绿化。根据地质勘察报告，该处场地为工程地质I区，属于I2邕江高阶地亚区，地面高程约为92.1～94.3m，地势起伏较大，总体上南高北低，东高西低。临河一侧临空，主体结构有偏压作用；地质情况较差。根据地勘单位判断，本站站址位于原那考河支流的老河道上，基底以上有较厚的填土，少量粉土、粉砂、含砾黏土等，底板基本位于泥岩层。
按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)（2016年局部修订版）附录A.0.20，本工程抗震设计时所采用的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组。本场地为Ⅲ类场地，其地震动峰值加速度根据Ⅱ类场地相应值进行调整，调整系数Fa取1.25，故本场地地震动峰值加速度为0.125g，基本地震动加速度反应谱特征周期值为0.45s。另据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）的规定，拟建金桥客运站站抗震设防类别为重点设防类(乙类）。
金桥站地下结构按抗震设防烈度为7 度，抗震设防类别为重点设防类（简称乙类），结构抗震等级为二级。在结构设计时采取8度的抗震处理措施，以提高结构的整体抗震能力。
3 有限元模型
3.1 有限元模型
利用Abaqus软件建立小振动台模型的三维有限元软件（如图1），模型尺寸为0.46m（水平横向）×0.15m（水平纵向）×0.37（高度）。采用一层土体，土体参数如表1。试验所用模型箱采用有机玻璃制作，有机玻璃的弹性模量为3GPa，泊松比为0.39，其密度为1.18×103kg/m3。结构部分采用砂浆制作，砂浆的弹性模为7.312GPa，泊松比为0.2，密度为1.9×103 kg/m3。土体采用六面体实体缩减积分单元C3D8R模拟，结构部分采用六面体实体单元C3D8模拟。为减少地震动模型箱壁的反射效应，在振动方向两端箱壁粘贴了聚苯乙烯泡沫塑料板。其三维模型图如图1。试验用土参数如表1所示。
含水率 密度 粘聚力 内摩擦角 压缩模量
17.14％ 1.542×103 kg/m3 36.89KPa 7.93° 1.6188MPa
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（a）整体三维模型图 (b) 结构三维模型图
图1 三维模型图
表1 土的材料参数
3.2 模态分析
小振动台模型的前六阶振型如图2所示。
(a) 第一阶振型图 (b) 第二阶振型图
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(c) 第三阶振型图 (d) 第四阶振型图
(e) 第五阶振型图 (f) 第六阶振型图
图2 前六阶振型图
4 地铁车站结构地震反应实验
4.1 实验模型与模型箱
试验所用模型箱材料为有机玻璃，加速度位置、模型箱和试验现场照片如图3所示。
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（a）模型箱
(b) 试验现场
图3加速度布点图
4.2 输入地震波及其工况
在该分析模型中，重力计算时，底部采用固定约束，并建立刚性的模型箱模拟试验中的情况，其余方向不加约束；在动力计算时，释放水平X方向的位移约束，并施加相应的地震加速度响应。地震动主要采取Taft波、南宁人工波以及EL波为基面的水平向输入地震动，输入的加速度时程如图4。
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（a）Taft波
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（b）南宁人工波
(c) EL波
图4 输入地震动的原始加速度时程曲线
三条波的加速度峰值均已做过调整，调整后的峰值加速度为1.15m/s2，试验中车站结构与土体之间的相互作用采用接触面法向模拟，在接触面的法向采用“硬接触”模拟，即当接触面的相互作用力为正时，接触面在法线方向处于受压闭合状态，反之，接触面在法向处于受拉分离状态。在接触面的切向采用“有限滑动”来模拟接触面的切向滑动行为，即土体与结构模型接触面的摩擦系数为0.35。
4.3 重力作用下的受力分析
在先期重力计算后，试验小模型与原结构下的受力情况大致相符。重力作用下的有限元对比如图5。
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（b)原结构的等效应力云图
图5 重力作用下的等效应力云图
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4.4 地震波作用下的加速度时程分析
在此基础上输入三种不同的地震加速度，试验状况下的加速度反应时程与有限元模拟下的加速度反应时程如图6。
(a) Taft波加速度反应时程
(b) 南宁人工波加速度反应时程
(c) EL波加速度反应时程
图6 加速度反应时程
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通过以上对比可见，试验所得数据与用有限元模拟所得数据有很好的相似，有限元建模方法可以得到验证。
把结构两侧增加苯板,通过实验来研究这种隔震方法是否能减少地震对结构的影响，所得图形如图7所示：
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图7 有无隔震措施下的加速度反应时程对比图
通过对比，可以看出在结构两侧增加苯板是一种能减少地震力的抗震措施，其耗能机制还有待进一步研究。
5 结论
从以上对比可以看出，所建的有限元模型与试验情况是相匹配的，为以后试验建立有限元模型奠定了基础。
1、在一定程度上，车站结构与土体之间的相互作用采用接触面模拟能反应结构与土体之间的相互作用可以先期利用有限元模型的结果来预测土-地铁车站结构试验的具体情况。
2、采用苯板作为隔震措施可以有效减少地震对结构的破坏作用。
3、无柱大跨结构地震作用下，受力更为不利，其破坏呈现新的特点。
参考文献
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