中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津 300308
摘要：成都某新建地铁站与既有线换乘，换乘形式为平行通道换乘，两线站厅层负一层侧墙全部联通，既有线侧墙接口将全部打开，打开范围达80m，接口位置受力构件由混凝土侧墙转换为梁柱体系，车站的侧向刚度将减弱，接口处为抗震薄弱环节，不利于车站抗震。因此，抗震设计时新建车站与既有车站整体建模，采用时程分析法计算车站内力及变形，定位抗震薄弱环节，根据计算结果指导设计并采取针对性措施。
关键词：抗震设计；时程分析法；地铁换乘站；
1工程概况
1.1换乘站结构形式
成都某新建地铁站与既有线换乘，换乘形式为平行通道换乘。既有线为地下两层侧式站台车站，站台宽度8.4m+8.4m，站台长度120m，总长195.0m，主体主体结构宽26.4m，主体结构形式为三柱四跨框架结构，结构高度14.0m，底板埋深17.6m，顶板覆土3.6m。新建车站为地下二层岛式车站，主体结构形式为两层双柱框架结构，站台宽度14m，站台长度120m，总长245.6m，车站宽度22.7m，结构高度14.4m，底板埋深18.0m，顶板覆土3.6m。两线站厅层公共区负一层侧墙全部联通，既有线侧墙接口将全部打开，打开范围达80m，换乘通道长度18.3m。
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图1 车站结构横剖面图
1.2工程地质及水文地质情况
车站地貌单元为岷江水系Ⅱ阶地，场地从上往下分布为2m填土、6.3m黏土、2m粉质黏土、2.4m稍密卵石、5.2m中密卵石、4.0m密实卵石。下伏基岩为强风化泥岩、中风化泥岩。地下水埋深9.7～14.7m，水位年变化幅度约2～3m之间。地貌单元属岷江水系Ⅱ级阶地，不考虑液化，围内未揭露软土，不考虑软土震陷问题。
1.3场地地震效应
车站场地地震动峰值加速度为0.10g，地震反应谱特征周期为0.45s；场地设计地震分组为第三组，抗震设防烈度为7度。抗震设防类别为重点设防类。建筑场地类别为Ⅱ类场地。场地范围内无液化土层及软弱土层分布，判定为对建筑抗震一般地段。
2 时程分析法
时程分析法即结构直接动力法，在数学上可称步步积分法，是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分，求出结构在地震作用下从静止到振动以至到达最终状态的全过程的一种动力分析方法，是最经典的方法之一。其基本原理为：将地震运动视为一个随时间而变化的过程，并将地下结构物和周围岩土体介质视为共同受力变形的整体，通过直接输入地震加速度记录，在满足变形协调条件的前提下分别计算结构物和岩土体介质在各时刻的位移、速度、加速度，以及应变和内力，并进而验算场地的稳定性和进行结构截面设计。时程分析法采用地层-结构模型，时程动力分析时，由于直接输入地震波作用，因此应限制土层单元尺寸，为准确模拟地震波在土层中的传播，单元在剪切波传播方向的长度宜满足：L<（1/8～1/10）λmin（λmin为计算需要考虑的最短波长）。通常考虑到地震波的能量一般情况下主要集中在0～10Hz 的频率范围内，而土体的最小剪切波速约为100m/s，此时λmin约为10m，因此计算中剪切波速传播的主要方向即竖向单元尺寸不大于1m 即可满足要求。土层的选取范围，一般顶面取地表面，底面取等效基岩面，水平向自结构侧壁至边界的距离宜至少取结构水平有效宽度的3倍。
3车站地震计算
3.1 场地地震动参数
本工程计算模型中采用成都地铁某工程场地地震安全性评价报告中提供的基岩水平地震动时程。E2地震作用下，采用50年超越概率为10%基岩水平地震动时程。E3地震作用下，采用50年超越概率为2%基岩水平地震动时程。每组各三条。
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图2 50年超越概率10%基岩水平地震动时程
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图3 50年超越概率2%基岩水平地震动时程
3.2 计算模型
根据分析需要，模型的尺寸宽×高分别为280m×50m。模型上边界取至地表，下边界至等效基岩面，横向边界取至，设置动力自由边界，模型底部水平方向施加地震动的加速度荷载。模型尺寸边界详见图4。
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图4 换乘车站计算模型
3.3 E2地震作用计算结果
根据计算结果相对水平位移峰值基本发生结构顶板，既有线顶板最大相对位移7.5mm，新建线顶板最大相对位移7.4mm。
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图5 既有线顶板相对位移
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图6新建线顶板相对位移
1）结构变形及位移验算
既有线结构最大弹性层间位移角为 7.5/13140=1/1752；新建线结构最大弹性层间位移角为 7.4/13340=1/1802.层间位移角均小于《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）7.7.1条中规定弹性层间位移角限值1/550，结构仍处于弹性变形状态，满足E2地震作用下抗震性能Ⅰ的要求。
经验算E2地震作用下，由于场地土体动弹性模量及动剪切模量较大，周边土体的约束作用明显，地震力对车站结构的影响较小，地震组合非控制性工况，构件的配筋均受裂缝控制，仅需按抗震设防要求进行构造措施处理。
2）中柱轴压比
既有线中柱截面尺寸为0.8x1.0m，在地震组合下最大轴力设计值为9410KN。新建线中柱截面尺寸为0.7x1.1m，在地震组合下最大轴力设计值为12180KN。根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》GB50909-2014第7.7.2条，抗震等级二级框架结构轴压比限制为0.75。既有线及新建线轴压比分别为0.68、0.51，满足轴压比控制要求。
3.4 E3地震作用计算结果
根据计算，E3地震作用下，既有线顶板最大相对位移11.8mm，新建线顶板最大相对位移10.9mm。
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图7 既有线顶板相对位移
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图8 新建线顶板相对位移
既有线结构最大层间位移角为 11.8/13140=1/1116，新建线线结构最大层间位移角为 10.9/13340=1/1223。层间位移角均小于《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）7.7.1条中规定层间位移角限值1/250，满足E3地震作用下抗震性能II的要求。
计算结果表明，既有线及新建线车站均满足最大层间位移角限值要求，地震组合工况构件的配筋满足强度要求，结构整体抗震性能良好。但换乘通道处因轴网布置，跨度较大。同时，既有线侧墙接口将全部打开，接口位置受力构件由混凝土侧墙转换为梁柱体系，车站的侧向刚度将减弱，接口处为抗震薄弱环节，不利于车站抗震。设计过程中，考虑在既有线接口处新做一排梁柱体系，紧贴既有结构，车站顶板底板与既有结构预留接口刚接，增强接口处连接可靠性，增强抗震性能，确保设计安全。
4 结语
换乘抗震设计时，不仅仅验算新建车站自身的抗震性能，也应该验算既有线车站的抗震性能。设计过程中应注意既有线预留接口条件，新建线路应设计边界条件变化，换乘功能要求提高，预留接口打开范围不同，往往需要改造既有线预留条件。在未预留接口处设置换乘通道，既有车站的侧向刚度削弱较大，侧墙对顶板的约束减小，既有车站的框架内力重分布。顶板侧墙支座由刚接变成铰接，既有车站跨中及中柱支座处内力增幅较大。
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【作者简介：彭坤，男，1988年出生，工程师，中铁第六勘察设计院集团有限公司，从事隧道及地下工程设计工作】