抗震地鐵工程安評(píng)專題

GTS

NX地下結(jié)構(gòu)抗震解析北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司 張?jiān)诔康叵陆Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)背景01地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)背景近15年地鐵領(lǐng)域發(fā)展迅猛（黃金階段）1995年

46km，2015年3618km，遠(yuǎn)景14000km地鐵建設(shè)面廣、量大全國(guó)超40個(gè)城市開(kāi)展工作，每年建成300km～500km地鐵運(yùn)營(yíng)里程超4000km，成為城市基礎(chǔ)建設(shè)的龍頭地下空間開(kāi)發(fā)是一種必然選擇當(dāng)前，我國(guó)已進(jìn)入城鎮(zhèn)化深入發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，合理利用地下空間成為完善城市功能、推進(jìn)智慧城市建設(shè)、實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的必然選擇相較于上部結(jié)構(gòu)：地下結(jié)構(gòu)使用周期長(zhǎng)、破壞隱蔽、受損后修復(fù)困難、損失巨大；越來(lái)越多的地下結(jié)構(gòu)在不利地層條件（地層條件復(fù)雜、包含可能液化地層等）中建設(shè)；國(guó)內(nèi)外地下結(jié)構(gòu)震害屢見(jiàn)不鮮；抗震問(wèn)題亟需解決地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)背景20102009

2011質(zhì)[2011]13號(hào)文《市政公用設(shè)施抗震設(shè)防專項(xiàng)論證技術(shù)要點(diǎn)（地下工程篇）》2064-2009國(guó)標(biāo)GB50111-2006(2009年版)上海DG/TJ08- 國(guó)標(biāo)GB50011-2010

2011年住建部發(fā)布建2013國(guó)標(biāo)GB50157-2013北京地標(biāo)DB11/995-20132014 2018國(guó)標(biāo)GB50909-2014 國(guó)標(biāo)GB/T

51336-2018地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)計(jì)重視度提高，規(guī)范從無(wú)到有，從單一性到系統(tǒng)性的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)背景地下結(jié)構(gòu)抗震性能要求與地上結(jié)構(gòu)相比，地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用周期不變，僅提高性能要求。地下結(jié)構(gòu)抗震分析案例計(jì)算方法、工程類別02大學(xué)城南站位于常州市武進(jìn)區(qū)鳴新中路與鳳棲路丁字路口南側(cè)，沿鳳棲路敷設(shè)，鳳棲路南北走向，鳴新中路東西走向。車站設(shè)計(jì)中心里程為CK9+812.339。車站方案為13m島式站臺(tái)地下三層三跨鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，站中心底板埋深23.2m，車站凈長(zhǎng)136.13m，凈寬21.9m，其中第二層為設(shè)備層，設(shè)電纜夾層板。頂板覆土厚約3m。本次地震動(dòng)力時(shí)程分析采用大型專業(yè)巖土工程有限元分析軟件Midas/GTS進(jìn)行，計(jì)算模型在豎直方向上取值為70m，橫向取160m，結(jié)構(gòu)底板處于6-4粉質(zhì)粘土層，地下墻伸至9-2粉質(zhì)粘土層。本次計(jì)算分析時(shí)僅考慮水平地震作用的影響。采用地震動(dòng)時(shí)程的基準(zhǔn)期為100年，超越概率為2%（E3

），加速度峰值為0.165g，時(shí)程采樣間隔0.02秒。通過(guò)在X方向施加地面時(shí)程加速度實(shí)現(xiàn)地震加速度的加載。罕遇地震地震波常州地鐵1號(hào)線大學(xué)城南站平面模型罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間相對(duì)水平位移為1.87e-2m，時(shí)刻為3.0s；結(jié)構(gòu)各點(diǎn)之間位移基本保持同步，差異較小，呈現(xiàn)出整體振動(dòng)趨勢(shì)。根據(jù)時(shí)程位移曲線，罕遇地震作用下最大層間相對(duì)水平位移小于層間位移限制，所以本結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下變形滿足規(guī)范要求。整體模型地鐵車站結(jié)構(gòu)變形地鐵車站結(jié)構(gòu)變形地基變形常州地鐵1號(hào)線新橋站濟(jì)南市軌道交通R3線(奧體中心西站)北3號(hào)出入口4號(hào)出入口1、3號(hào)風(fēng)亭2號(hào)風(fēng)亭4號(hào)風(fēng)亭接控制中心加油站7號(hào)出入口2號(hào)出入口7號(hào)出入口本站位于經(jīng)十路與奧體西路交叉路口北側(cè)，為R3線與M3線換乘車站。近期實(shí)施的R3線部分沿奧體西路南北向設(shè)置。車站主體總長(zhǎng)為355m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22.9m，車站建筑面積約31212.12㎡（主體建筑面積23299.8㎡+附屬7912.32㎡

）。車站主體結(jié)構(gòu)為地下二層（局部三層）島式車站，基坑采用明挖順筑法開(kāi)挖施工，局部下穿電力管溝段采用蓋挖半逆做法施工。車站兩端均為盾構(gòu)法區(qū)間。反應(yīng)位移分析結(jié)果顯示，車站主體結(jié)構(gòu)在地震工況下，頂板部分位移變大，最大位移14.6mm。結(jié)構(gòu)頂板與底板層間位移差及層間位移角最大值分別為8.22mm和1/1255，層間位移角滿足規(guī)范要求限值（1/250）結(jié)構(gòu)彎矩圖模型位移圖結(jié)構(gòu)剪力圖結(jié)構(gòu)彎矩圖結(jié)構(gòu)軸力圖彎矩圖 中柱軸力圖通過(guò)進(jìn)行地震工況時(shí)程分析，得出地震工況內(nèi)力，與基本組合及標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行對(duì)比，地震工況結(jié)構(gòu)內(nèi)力均小于長(zhǎng)期工況基本組合結(jié)構(gòu)內(nèi)力。中柱最大軸壓比為0.74，滿足規(guī)范規(guī)定不大于0.75的要求。將山東省地震工程研究院提供的地震波參數(shù)輸入模型，進(jìn)行時(shí)程分析。時(shí)程分析法使用邁達(dá)斯GTS建立地層模型進(jìn)行計(jì)算。首先計(jì)算得出模型自振周期，然后定義模型邊界進(jìn)行時(shí)程分析。區(qū)間盾構(gòu)隧道地鐵車站地下結(jié)構(gòu)明挖隧道不同結(jié)構(gòu)形式的抗震分析《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算方法 03地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范

》(

GB

50909

-

2014

)

表3

.

3

.

1

計(jì)算方法未明確給定適用條件；

缺少對(duì)土層參數(shù)取值的規(guī)定；反應(yīng)位移法中：

未明確區(qū)分反應(yīng)位移法I、II、III，

執(zhí)行過(guò)程中存在誤讀；

不適用于可液化地層結(jié)合《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（

GB/

T51336

-

2018

）

計(jì)算方法進(jìn)行反應(yīng)位移法一般而言，

地下結(jié)構(gòu)的視密度（

包括結(jié)構(gòu)物和內(nèi)凈空斷面的平均密度）

比周圍土體小得多，

如：

盾構(gòu)隧道的視密度約為1200

kg/

m

3

，

周圍土體密度為1600

～1700

kg/

m3

，

因此地下結(jié)構(gòu)的慣性力較小，

換言之，

其起振力較小，

自身很難起振。另外，

地下結(jié)構(gòu)受周圍土體的約束，

其能量耗散較快，

衰減較大。在相同高程處，

地下結(jié)構(gòu)及周圍地層的加速度反應(yīng)，

不管從頻譜特性還是最大值來(lái)看都比較接近，

而與地面結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)則差別較大。反應(yīng)位移法假設(shè)地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的計(jì)算可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題，

其在地震時(shí)的反應(yīng)加速度、速度及位移等與周圍地層保持一致。因天然地層在不同深度上反應(yīng)位移不用，

地下結(jié)構(gòu)在不同的深度上必然產(chǎn)生位移差。將該位移差以強(qiáng)制位移形式施加在地下結(jié)構(gòu)上，

并將其與其他工況的荷載進(jìn)行組合，

則可由按靜力問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算，

來(lái)得到地下結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)內(nèi)力和合內(nèi)力。本質(zhì)屬于荷載結(jié)構(gòu)法，靜態(tài)算法，動(dòng)態(tài)概念！除靜載外：1、地層的相對(duì)位移2、結(jié)構(gòu)慣性力3、地層剪力反應(yīng)位移法地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法-

反應(yīng)位移法I——《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》GB50307

附錄H地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法-

反應(yīng)位移法I地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法-

反應(yīng)位移法I1—設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面；2—地表最大位移；3—地下結(jié)構(gòu)；4—地層相對(duì)變形；1、地層的相對(duì)位移2、結(jié)構(gòu)自身慣性力3、地層剪力-矩形/圓形地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法-

反應(yīng)位移法I地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法-

反應(yīng)位移法II

采用反應(yīng)位移法II

進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算時(shí)，

地下結(jié)構(gòu)所在位置的地層相對(duì)位移可由一維地層地震反應(yīng)分析或自由場(chǎng)地地震時(shí)程反應(yīng)分析確定?！?/p>

和反應(yīng)位移法I最大的區(qū)別點(diǎn)?！?/p>

非均質(zhì)地層中，

反應(yīng)位移法I會(huì)嚴(yán)重低估變形和受力，

應(yīng)使用反應(yīng)位移法II；——

成層地層中，

反應(yīng)位移法II在結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算中偏于保守。地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法-

整體式反應(yīng)位移法反應(yīng)位移法I和II

存在的問(wèn)題）

反應(yīng)位移法采用集中地基彈簧來(lái)模擬結(jié)構(gòu)周圍土層，

而離散的地基彈簧之間互不相關(guān)，

無(wú)法真實(shí)反映際工程中土層自身存在的作用；）

反應(yīng)位移法采用地基彈簧來(lái)模擬土—

結(jié)構(gòu)間相互作用，

實(shí)際計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，

地基彈簧系數(shù)的大小對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算果有很大影響，

而地基彈簧系數(shù)難于準(zhǔn)確確定；）

對(duì)于斷面形狀復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)，

無(wú)法確定基彈簧系數(shù)

。整體式反應(yīng)位移法（

地層結(jié)構(gòu)法）——

地下結(jié)構(gòu)斷面形狀復(fù)雜、處于非均勻地層；——

地震作用包括等效輸入地震荷載和結(jié)構(gòu)自身慣性力；——

巖土體采用平面應(yīng)變單元，

結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧w式反應(yīng)位移法計(jì)算流程）

通過(guò)對(duì)自由場(chǎng)地層有限元模型對(duì)應(yīng)巖土-

結(jié)構(gòu)交界面施加最不利時(shí)刻地層相對(duì)位移；

）

對(duì)該交界面內(nèi)的自由場(chǎng)土體施加最不利時(shí)刻地層水平加速度，

求得巖土-

結(jié)構(gòu)交界面位置節(jié)點(diǎn)反力即為等效輸入地震荷載；）

求解結(jié)構(gòu)周圍剪力。取步驟(

1

)

中求得的對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)頂、底面位置處的剪應(yīng)力，

同時(shí)取二者平均值作為結(jié)構(gòu)側(cè)面剪切荷載；）

求解結(jié)構(gòu)慣性力。取步驟(

1

)

中求得的對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)位置處的反應(yīng)加速度，

乘以結(jié)構(gòu)質(zhì)量作為結(jié)構(gòu)慣性力；）

建立整體式反應(yīng)位移法計(jì)算模型進(jìn)行分析。建立土–

結(jié)構(gòu)相互作用模型，

模型邊界固定，

施加步驟(

2

)，(

3

)，(

4

)

計(jì)算得到的地震荷載，

進(jìn)行靜力計(jì)算。地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法-

整體式反應(yīng)位移法地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法-

時(shí)程分析法1、包括等效線性化時(shí)程分析法和彈塑性時(shí)程分析法；2、采用等效線性化時(shí)程分析法時(shí)，土體材料本構(gòu)模型應(yīng)能反映應(yīng)力應(yīng)變骨干曲線和滯回曲線隨著循環(huán)剪切應(yīng)變幅值的非線性變化特性，并應(yīng)根據(jù)實(shí)際地勘與室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定材料參數(shù)。3、當(dāng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析時(shí)，應(yīng)采用不少于3

組設(shè)計(jì)地震動(dòng)時(shí)程；4、對(duì)于采用時(shí)程分析法或結(jié)構(gòu)壁為曲邊的抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)采用數(shù)值分析方法計(jì)算起始靜應(yīng)力狀態(tài)。地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法總結(jié)地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法在MIDAS軟件的實(shí)現(xiàn)04本節(jié)以某單層雙跨地鐵車站說(shuō)明反應(yīng)位移法II及時(shí)程分析法的建模過(guò)程。其橫斷面如下圖所示，結(jié)構(gòu)埋深5m，結(jié)構(gòu)材料C30混凝土，彈性模量3×104MPa,密度2.5×103kg/m3,考慮中柱在車站縱向等間距布置，中柱等效彈性模量為8.57×103MPa,密度為7.14×102kg/m3。土層名稱土層深度(m)容重(kN/m3)剪切波速(m/s)泊松比層數(shù)目1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土0~218.2129.10.4522粉土粉砂互層2~619.4152.70.3543砂土16~1020.9137.10.344砂土210~2019.3172.70.365砂土320~3220.9263.20.4266黏土32~4019.7491.60.4247強(qiáng)風(fēng)化砂巖40+225580.31一維自由場(chǎng)分析步驟4-1自由場(chǎng)分析是通過(guò)線性粘彈性場(chǎng)的垂直向透射剪切波的地震響應(yīng)分析。場(chǎng)地是由多個(gè)水平向無(wú)限地層和一個(gè)半無(wú)限的地底層構(gòu)成（右圖），假定每個(gè)地層是。均

質(zhì)的，土層材料是各向同性的震動(dòng)是由剪切波引起的，震動(dòng)僅表現(xiàn)為水平方向震動(dòng)，剪切波可以沿著地層垂直方向進(jìn)行透射和反射。三要素：地層、應(yīng)變相容特性、地震波一維自由場(chǎng)分析收斂地層建模+應(yīng)變相容性方程一維自由場(chǎng)分析-

剪切層法（

一維粘彈性分析方法）midas

GTS

NX

、Soil

Works均提供一維地層地震反應(yīng)分析的功能，

操作流程類似。軟件使用模塊剪切模量計(jì)算結(jié)果提取midasGTS

NX動(dòng)力模塊-一維自由場(chǎng)分析公式手算N個(gè)土層提取N個(gè)結(jié)果midas

Soilworks二維動(dòng)力模塊-自由場(chǎng)分析公式自動(dòng)計(jì)算1個(gè)文件提取N個(gè)結(jié)果基本假定為：（

1

）

水平成層地層（

均質(zhì)地層也可以）；（

2

）

地震波為垂直向上傳播的剪切波；（

3

）

土體采用等效線性化的粘彈性模型輸入?yún)?shù)內(nèi)嵌的應(yīng)變相容特性函數(shù)對(duì)比（

與Proshake）輸出計(jì)算結(jié)果不同形狀斷面反應(yīng)位移法反應(yīng)位移法II計(jì)算繁瑣程度：馬蹄形>圓形>矩形（單聯(lián)通區(qū)域）反應(yīng)位移法II計(jì)算步驟4-2參數(shù)：地震作用的基床系數(shù)荷載：自重、土壓力、地震荷載邊界條件：僅受壓彈簧工況：重力工況、地震工況梁?jiǎn)卧Ｌ砑油翉椈傻卣鸷奢d結(jié)構(gòu)部分邊界條件荷載部分工況組合自重&地震1基床系數(shù)2地震荷載3地震工況反應(yīng)位移法II-

計(jì)算流程反應(yīng)位移法II-

基床系數(shù)取值《城市軌道交通