建筑硕士论文
摘 要
随着我国经济的迅速发展和城市建设规模的逐渐扩大，这时必然会导致土地资源的需求紧张，地铁的出现可以在一定程度上缓解这个问题。同时我国是一个地震多发的国家，如果发生震级较大的地震，可能会对地铁地下车站造成严重破坏，因此研究地下车站抗震将势不容缓。国家颁布规范《城市轨道交通结构抗震计算规范》(GB/T51336-2018)对地层水平相对位移取值和地基反力弹簧刚度参数没有给出很明确的解释说明；不同情形下使用哪种抗震分析方法更能有效精确的计算还需要业界来定论。
本文应用 MIDAS/GTS 有限元软件，以兰州市轨道交通 1 号线某地铁地下车站为研究对象，通过反应位移法、反应加速度法和时程分析法这三种抗震分析方法对该地下车站进行了抗震分析，将得出的内力和变形结果进行了对比，研究了在地震荷载工况作用下整个车站最不利断面的位置。为其它地下车站的抗震设计与分析提供一定的参考价值。本文的主要研究成果有:
（1）基于反应位移法、反应加速度法和时程分析法地铁地下车站抗震分析，三种方法均在中柱和底板的连接处的内力达到了最大值，且结构发生位移是由剪切力导致的。在结构设计时，应予以考虑。
（2）基于反应位移法、反应加速度法和时程分析法进行地震响应对比分析，在 X方向的位移分析中，三种方法柱子的横向位移形状是倒“U”形，但是反应位移法曲线更加凸出。
（3）三种方法的上层的层间位移角数值均大于下层的数值，且都小于规定的 1/250，说明该车站具有较好的水平向抗震性能，符合规范关于地下结构抗震设计的规定。
（4）反应位移法、反应加速度法和时程分析法相比，柱子的内力数值要偏大，与实际工程应用二维抗震分析方法偏安全相吻合。
关键词 ： 地铁地下车站；反应位移法；反应加速度法；时程分析法；抗震分析 。
Abstract
With the rapid development of our country’s economy and the gradual expansion of thescale of urban construction, this will inevitably lead to a tight demand for land resources.Subway can solve these problems. In China, earthquakes often happen. If a large earthquakeoccurs at this time, it will bring immeasurable losses to property and personal safety, so thestudy of underground station seismic potential will not be delayed. However,The Code forSeismic Calculation of Urban Rail Transit Structures (GB/T51336-2018), which was recentlyissued by the state, still does not provide a clear explanation for the horizontal relativedisplacement of the ground and the stiffness parameters of the foundation reaction spring；Andin different situations, which seismic analysis method is more effective and accurate calculationstill needs to be determined by the industry.
We willanalyze earthquake resistance on an underground station of Lanzhou Metro Line 1using Midas /GTS software.Three seismic analysis methods: response displacement method,response acceleration method and time history analysis method are used to analyze the seismicresistance of subway underground stations.The force and deformation will be compared aboutthese columns. The confluence of the lowest floor board and column that internal force hasreached the maximum. Based on the analysis results of numerical simulation, It providesdifferent reference value for other stations. The main work of this paper is as follows:
（1）The confluence of the lowest floor board and column that internal force has reachedthe maximum, and the structural displacement is caused by the shear force. It should beconsidered when designing the structure.
（2）Based on the seismic response comparative analysis of the response displacementmethod, the response acceleration method and the time history analysis method, in the Xdirection displacement analysis, the lateral displacement shape of the three methods is aninverted "U" shape, but the response displacement method curve is more convex.
（3）Upper interlayer displacement angle value of the three methods were bigger than thelower layer, and are less than a predetermined 1/250, indicating that the station has a betterperformance level of the seismic line with subsurface seismic design specification on thestructure.
（4）Compared with the response displacement method, shear force and bending momentof the other two methods are larger. which is consistent with the safety of the two-dimensionalseismic analysis method used in actual engineering.
Keywords : Underground station；Response displacement method；Reaction accelerationmethod; Response displacement method；Analysis of seismic resistance 。
1、 绪论
1.1、 课题的背景与意义 。
近年来，随着许多国家经济的迅速发展，在一些大型城市中，许多新兴产业如春笋般涌现出来，同时越来越多的人在城市生活定居，使城市处于一种即将“爆发”的状态，这种现象必然会导致运输需求的增多。为了使各个城市大流量的交通需求趋于稳定，我国地下工程建设进入了高速发展时期，然而高速发展面临着土地的开发利用。城市中稀少的土地资源和高速发展对土地资源的需求这两者必然产生冲突，解决这一矛盾的唯一办法就是开发利用地下空间。这在一定程度上可以缓解了城市中人口集中的问题，同时也缓解了因地上空间不足而产生的其他问题[1]。于是地铁的出现解决了当下的燃眉之急。
地铁的设计可以是多元化的，从起初层到比较简单的单层到后来根据人们的需求所建立的多层地铁车站，它建设的过程中难免会穿越建筑物和管道，也要考虑到交叉穿越某些地下结构。同时地铁车站的截面形式多样，以前只有相对简单的矩形截面，但是矩形截面逐渐不能满足复杂的地层和一些其他情况，且矩形截面过于单一，还不够美观。
于是出现了其它形状来满足这一需求，例如就出现了拱形、马蹄形和其它看起来比较怪异的形状[2]，还有可能会遇到其它特殊情形，这时就会对地铁设计的要求就会更高。
人类面临的最大的自然灾害之一就包括地震，我国的地震就频繁发生，同时地震造成的破坏也十分严重，给人类的生命以及财产产生了很大程度的威胁。所以地震对地下结构造成破坏要给予重视。这时对于地下结构的抗震分析就迫在眉睫。为了人民的生命以及财产的安全，在地下结构设计分析时都需要考虑地震作用的影响。
相对于其它国家的地下结构建设，我国起步相对来说较晚，这就导致了城市地下轨道交通的建设体系不够成熟完善，同时地上建筑的规模和数量远远超过地下空间，所以在很长时间里，地下结构的相关震害资料比地上建筑相关震害资料少了许多，并且人们对地下抗震分析没有给予很大程度的重视[3]。对于地铁地下车站抗震设计，我国研究比较滞后，且国家颁布不久的规范《城市轨道交通结构抗震计算规范》(GB/T51336-2018)给出了反应位移法以及反应加速度法，这就不得不提到两个很重要的参数：地层水平相对位移参数取值和地基反力弹簧刚度参数取值，然而规范中未给出很明确的解释说明。
在一些特殊的地质条件下，地铁地下车站的抗震分析更是无依据可寻了。
本文以兰州地铁某地下车站工程为背景，对适应于兰州地区的抗震相关参数采用了合理的方法，基于反应位移法、反应加速度法以及时程分析法对兰州地铁某地下车站进行抗震分析，对其它地铁地下车站的抗震设计与分析具有一定的指导意义。
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1.2、国内外地铁地下结构抗震的研究综述.
1.2.1 、地铁地下结构抗震灾害.
1.2.2、地铁地下结构抗震的研究现状
1.3 、地铁地下结构抗震分析方法.
1.3.1 、地震系数法
1.3.2、反应位移法.
1.3.3、反应加速度法.
1.3.4、时程分析法.
1.4 、本文主要研究的目的和主要内容
2、工程概况及计算模型相关参数的确定.
2.1、研究区概况
2.1.1、兰州地铁某地下车站概况.
2.1.2、工程地质概况.
2.1.3、 水文地质
2.1.4 、气象条件
2.2、地震参数的选取.
2.3、黄土动力特性研究.
2.4、边界条件，
2.4.1、全局人工边界
2.4.2、局部人工边界
2.5、地震波的选取、处理
2.6、小结
3、地基反力弹簧刚度和地层水平相对位移取值方法研究
3.1、引言
3.2、地基反力弹簧刚度参数取值方法研究.
3.2.1、基床系数.
3.2.2、日本铁路抗震设计规范计算
3.2.3、有限元分析
3.3、地基反力弹簧刚度的影响因素.
3.4、地层水平相对位移取值方
3.4.1、速度反应谱法.
3.4.2、固有周期法.
3.4.3、地震烈度法.
3.4.4、有限元法
3.5、小结.
4、基于反应位移法和反应加速度法地铁地下车站抗震分析.
4.1、引言
4.2、反应位移法和反应加速度模型计算参数.
4.2.1、场地各土层模型参数以及结构混凝土参数
4.2.2、反应位移法抗震计算参数.
4.2.3、地层水平相对位移计算参数.
4.2.4、惯性力、剪应力和强制位移的计算参数.
4.3、基于反应位移法地铁地下车站的抗震分析
4.3.1、反应位移法模型的建立
4.3.2、反应位移法内力分析
4.3.3、反应位移法位移分析
4.4、基于反应加速度法地铁地下车站的抗震分析.
4.4.1、反应加速度法模型的建立.
4.4.2、反应加速度法内力分析
4.4.3、反应加速度法位移分析
4.5、小结
5、基于时程分析法地铁地下车站抗震分析.
5.1 、引言
5.2、时程分析法模型的建立，
5.2.1、无粘弹性人工边界.
5.2.2、粘弹性人工边界
5.3、不同边界条件下的时程分析
5.3.1、不同边界条件下的内力分析.
5.3.2、不同边界条件下的地震响应对比分析
5.3.3、各层板位移结果分析.
5.4、反应位移法、反应加速度法和时程分析法地震响应对比分析.
5.5、抗震构造措施.
5.5.1、主体构造措施.
5.5.2、截断柱
5.6、小结
6、 结论
本文以兰州市轨道交通一号线某地下车站为研究对象，采用反应位移法、反应加速度法和时程分析法对该地下车站进行抗震分析，并将这三种方法得出的应力和位移结果进行了对比，得到了以下结论：
（1）通过分析多种地基反力弹簧刚度的取值方法，确定了求解地基反力弹簧刚度的方法为有限元法，车站不同位置的地基反力弹簧刚度取值有所差异：车站顶板边缘处的法向和切向弹簧刚度分别为7140k N/m、5040 k N/m；车站顶板中间处的法向和切向弹簧刚度分别为14400k N/m、9420 k N/m；车站侧墙上部的法向和切向弹簧刚度分别为16000k N/m、17900 k N/m；车站侧墙中部的法向和切向弹簧刚度分别为16300k N/m、14500k N/m；车站侧墙下部的法向和切向弹簧刚度分别为13900k N/m、9470 k N/m；车站底板边缘处的法向和切向弹簧刚度分别为11200k N/m、13500 k N/m；车站底板中间处的法向和切向弹簧刚度分别为18500k N/m、25600 k N/m。同时通过多种方法对比选取有限元法得出了本工程的水平相对位移峰值为618mm。
（2）通过反应位移法和反应加速度法抗震分析，发现在底板的连接处剪力及弯矩达到了最大值，且车站结构横向位移变化呈现“W”的形状，同时剪切力是导致结构发生位移的主要因素。
（3）在反应位移法和反应加速度位移分析中，弹性工作阶段下的车站每层的位移角均小于1/550；弹塑性工作阶段下车站每层的位移角均小于1/250，构件截面满足抗震的计算要求，不会出现局部或整体倒毁的情况。
（4）通过对比有无粘弹性边界的时程分析法模型，得到的内力值相差较大，有粘弹性边界条件下的结构内力要小许多，更能反应实际情况。
（5）通过对反应位移法、反应加速度法和时程分析法进行地震响应对比，都出现三层墙底弯矩值达到了最大；同时对车站长度方向进行位移分析，三种方法柱子的横向位移可以近似看成倒“U”形状。
（6）车站的柱子是易损坏的部位，在进行抗震设计和分析时应给予重视。时程分析法和反应位移法、反应加速度法相比，柱子的内力数值要偏小，采用反应位移法可以用于地下车站抗震分析。
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