软土地铁车站抗浮梁抗震性能有限元分析

随着近些年我国轨道交通工程基建规模的增大，一大部分在建的地铁车站出现了覆土埋深较浅、地下水位较高、地下结构受浮变位的现象，这使得地铁车站的抗浮设计越来越受到人们的重视.加之位于饱和软土地基中的地下结构，由于软土地基会显著放大地震动载作用，从而导致结构破坏程度的加剧.虽然目前国内很多学者已对地下结构的抗震稳定性做了大量研究，但软弱土层中地下结构抗震的理论分析与模拟计算、施工工程中设置抗浮梁是否有效等仍是亟待解决的问题.

地震工程学专家胡聿贤[1]提出，地铁车站结构抗震设计方面的难点在于结构在受到地震动载作用时，除了要具备足够的刚度、强度以抵抗地震动载作用，还应具有一定的柔度以充分吸收结构周围岩土体的变形，从而减小结构在地震中受到的破坏；刘晶波等[2]阐述了几个需要尽快解决的关键问题：如何建立科学的结构-土体动力相互作用分析方法，如何建立相符的地下结构动力分析模型，如何提出适用的地下结构抗震构造措施等；周林聪[3]通过对地铁车站的框架结构进行了数值动态模拟的研究，得出了关于地震响应的一般规律，然并未充分考虑结构与土体之间发生的流塑变形；严松宏[4]借助地下结构抗震和结构动力分析的脉冲响应函数原理，提出了地下结构地震动力响应计算的加速度脉冲函数法；欧尔峰等[5]基于杜修力地震模型，对某隧道进行了随机动力响应分析，通过求解嵌套脉冲函数的动力方程，研究了随机地震动荷载作用下该隧道的地震响应特征；杨林德等[6]利用振动台试验对地铁车站结构模型进行了数值分析，得到了车站在地震动载作用下的响应及土体-结构相互作用规律；邓爽[7]利用有限元分析软件基于某区间隧道相关数据，建立了地铁车站结构的三维有限元实体模型，对多种工况下的围岩-衬砌结构进行了地震响应分析.

本文研究的天津地铁5号线某车站所在地层的土质属软土类，地震发生时会加大地震危害程度，因此有必要结合围岩岩性条件和地下工程本身的结构特点，对天津地区软土地层当中的地铁车站结构进行理论研究与设计理念的深层次探索.本文研究主要针对于车站地下连续墙上设置的抗浮压顶梁是否会脱离车站主体结构，并对其进行数值模拟分析，研究抗浮梁与主体结构在地震作用下的最大位移差是否超出抗浮梁的横向挑出长度，进而确定是否采取限位措施，以确保运营阶段的安全性与可靠性.

1 工程概况

天津地铁5号线主要沿中环的东南半环分布，全线地形相对平坦，岩性多变，地下水位较高，地下构筑物位于地表以下25～30 m内，部分粉砂层为轻微液化土层.区域场地土体基本是由饱和软土组成，地铁车站的上覆土层厚度约为2.2～6 m，车站结构的横断面宽度约18.73～33.45 m；地铁5号线车站的施工方法主要为明挖法，沿线场地岩土体主要以粉细砂、粉粘土为主，围岩等级为Ⅴ级，工程上为Ⅱ类场地；地铁车站在抗浮设计方面的措施主要为在地下连续墙顶部设置一道抗浮梁和在基底处设置若干锚索抗拔桩[8].在车站顶板上方，沿围护结构设置一圈矩形压顶梁，其截面尺寸为800 mm×800 mm.本地铁车站的结构框架图如图1所示.

图1 结构框架剖面图(单位：mm)Fig.1 Structural frame profile view(unit:mm)

该地铁车站的结构断面基本参数为：基坑宽度：20.7 m；基坑深度：17.15 m；覆土厚度：3.5 m；地下连续墙长度：32 m；土层计算范围：车站两侧不小于3B(B为车站跨度)，垂向不小于60 m.

2 计算模型及参数

车站结构与周围土体是一个相互影响、协同工作的整体，在二者相互作用中表现出明显的非线性特性[9].而相互作用问题存在两种非线性问题：一种是由于不连续、非均质、各向异性的岩土体所引起的材料非线性，本文拟选取Drucker-Prager本构模型来模拟围岩的材料非线性[10]；另外一种是由于地铁车站结构与围岩体之间发生相对位移而导致的状态非线性，本文拟通过采用接触单元来模拟土体-结构之间共同作用的接触非线性[11].常见的数值分析方法有两种，一种是基于有限元模型的数值分析方法；另一种是基于温克勒地基梁的简化方法[12].本文采用前者的方法.

2.1 计算模型建立

采用Midas GTS有限元计算软件，按平面应变问题进行分析.地层、地下连续墙及抗浮梁采用平面应变单元，主体结构(板、墙、柱)则采用梁单元来模拟，有限元模型取X方向(横向)140 m、Y方向(竖向)60 m (3倍车站跨度)，地应力场按自重应力场考虑.

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