软弱土层中典型地铁车站结构的动力响应
特征#
陈之毅，才明阳，杨林德*
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（编号：200802471095）
作者简介：陈之毅，（1977-），女，讲师，地下结构抗震减震. E-mail: zhiyichen@tongji.edu.cn
5 （同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092）
摘要：本文基于大型通用有限元计算软件平台Ansys，对上海市软弱土层中典型地铁车站结
构地震动力响应进行了系统的数值模拟计算与分析。考察了典型地铁车站在埋深、车站建筑
结构形式、地震波型等敏感性参数下的动力响应特征。据此探讨了此类参数对地铁车站结构
的影响，为提高地下轨道交通建筑抗震设计水平、改进地铁车站建筑抗震设计方法提供了依
10 据。
关键词：软土；隧道与地下建筑结构；地铁车站结构；地震响应；Ansys
中图分类号：U231.4
 0 引言
上海正处于地下轨道交通开发与建设的大发展时期，新建和待建的大型地下轨道交通数
量迅猛增加。根据《上海市综合客运交通枢纽布局规划》[1]，到2010 年上海市将建成综合
30 交通枢纽84 个，形成11 条轨道交通线路，共280 座车站投入使用，运营总里程超过400km
的轨道交通基本网络。至2012 年，上海轨道交通将形成13 条线路、300 多座车站、运营总
长度超过500 km 的轨道交通基本网络；根据客流预测，届时可承担日均客流约800 万人次。
另一方面，上海位于环太平洋地震带上，自公元288 年上海有地震破坏的文字记录以来，
上海及其邻近地区发生过多次中强地震。近30 年来，上海多次受周边地区中强地震和本地
35 有感地震的影响。例如：1979 年溧阳6.0 级地震、1984 年南黄海6.2 级地震、1990 年常熟
太仓5.1 级地震、1996 年东海6.1 级地震, 上海均有较强烈震感。
地铁工程是生命线工程的重要组成部分，地铁车站结构的抗震问题有理由成为人们关注
的热点和焦点。历史震害调查表明[2-4]，地震对地下结构的破坏是客观存在的，而且类似于
上海的深厚软弱覆盖土层会增大地震作用的强度，加重建筑结构的震害。由此可见，开展城
40 市地铁建筑结构的抗震研究，对于改善上海以及我国城市地铁建筑结构抗震性能，提升城市
抗震防灾水平、确保未来城市可持续发展具有重要意义。
 1 数值计算模型的建立
以上海某典型地铁车站结构为研究对象。如图1 所示，其横剖面为两层三跨的钢筋混凝
土闭合框架结构。车站结构总宽高为21.20m×12.02m，中柱沿车站纵向间距为8.5m。车站
45 的结构柱采用C40 等级混凝土，内衬墙和梁均采用C30 等级混凝土。结构的基本构件尺寸、
材料参数列于表1。
车站结构顶部覆土3.50m，属于浅埋地下结构。根据上海市土层条件，整体计算模型的
深度取70m，土体两侧水平边界距结构侧墙取为结构宽度的10 倍，车站结构的计算范围内
各区段土层的参数如表2 所示。为便于计算，土层参数取按土层厚度的加权平均值，土层加
50 权平均重度为17.78kN/m3，加权平均粘聚力为11kPa，加权平均内摩擦角为21.90，平均剪
切波速为150m/s，土体泊松比0.30。
基于大型通用有限元软件ABAQUS[5]，建立的土层—车站结构整体数值计算模型如图2
所示。地铁车站结构简化为平面框架，沿车站纵向取中柱间距的长度，将结构质量、刚度等
材料性质折算到平面框架模型中。梁柱等构件均用梁单元来等效，可以考虑剪切、弯曲、拉
55 压等变形；地基土采用四边形平面应变单元；为简化分析，车站结构与周围土层刚性连接，
不考虑地震时土层与结构间有可能发生的脱开、滑移等非线性接触。结构和土体均采用线弹
性本构关系。计算模型侧向边界节点竖直向固定约束，水平向设为自由；模型底部边界为地
震波输入边界。
60 图1 典型地铁车站结构剖面图（单位：mm）
Fig. 1 Typical cross section of subway station (Unit: mm)
表1 结构材料参数表
Tab.1 Structural material parameters
构件
截面尺寸
(mm)
密度
（kg/m3）
等效弹模
(GPa)
顶板 800 50.81
底板 900 51.96
中间层楼板 400 41.39
侧墙 800
2500
2500
2500
2500 50.87
柱 900×600 2600 48.79
65
表2 土层物理性质
Tab. 2 Physical properties of soils
土层名称
层厚
(m)
重度
(kN/m3)
ϕ
(°)
C
(kPa)
填土 3.5 17
灰色砂质粉土 6.2 18.9 38.5 5
灰色淤泥质粘土 6.4 16.8 11 11
灰色粉质粘土 9.6 18 18.5 15
 图2 土层—车站结构整体数值计算模型
Fig.2 Soil-70 structure numerical model
2 地震动输入
基岩输入地震波采用该场地100 年基准期超越概率10%的上海人工波[6]以及El-Centro
波[7]，地震波加速度峰值调整至地表PGA 为0.1g。图3 给出了基岩处输入的El-Centro 波及
75 其傅立叶谱。El-Centro 波是单脉冲地震波，其卓越频率在2-3Hz 间。图4 给出了该场地上
海人工波在地表面和基岩处的时程曲线及其相应的傅立叶谱。两者对比可以看到：上海软土
场地具有地震波加速度放大效应；地表加速度频谱组成具有低频放大、高频过滤的特征；地
面加速度反应谱的卓越周期也具有向长周期方向移动的趋势。
0 5 10 15 20
-0.20
-0.10
0.00
0.10
0.20
EL-Centro
加速度 (g)
时间 (s)
0 5 10 15 20 25 30
0.000
0.002
0.004
0.006
幅值 (g·s)
频率 (Hz)
80 图3 El-Centro 波及其傅立叶谱
Fig. 3 El-Centro ground motions and Fourier spectrum
0 5 10 15 20
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
基岩
加速度 (g)
时间 (s)
0 5 10 15 20 25 30
0.000
0.001
0.002
0.003
基岩
幅值 (g·s)
频率 (Hz)
0 5 10 15 20
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
地表
加速度 (g)
时间 (s)
0 5 10 15 20 25 30
0.000
0.001
0.002
0.003
地表
幅值 (g·s)
频率 (Hz)
85 图4 上海人工波及其傅立叶谱
Fig. 4 Shanghai artificial ground motions and Fourier spectrums
 3 数值计算结果讨论
3.1 埋深对地铁车站结构地震响应的影响
地下结构震害历史表明，浅埋隧道受地震破坏的风险要高于深埋隧道。下面以3.5m、
90 13.5m、23.5m、33.5m 和43.5m 为参数，考察埋深对车站结构在相同地震波下的动力响应规
律。
限于篇幅，在此仅列出El-Centro 地震波作用下，埋深3.5m 时的地铁车站结构动力响
应时程曲线，如图5 所示。图5(a)为框架结构4 角点的位移时程曲线。
可以发现4 个角点的位移响应基本一致，这表明地下结构受周围土层约束，其位移响应
95 与周围土层位移响应相一致，随土层的震动而震动。图5(b)和图5(c)分别是地铁车站结构的
加速度和层间位移角时程曲线。可以看到，两者的波形非常一致。
(a) 位移 (b) 加速度 (c) 层间位移角
100 图5 车站结构地震响应时程曲线
Fig. 5 Time histories of structural seismic responses
表3 不同埋深下的车站结构地震响应值
Tab. 3 Summary of seismic responses with different depth
埋深
(m)
位移
(mm)
速度
(m/s)
加速度
(m/s2)
轴力
(kN)
剪力
(kN)
弯矩
(kN*m)
3.5 2.8 0.044 0.867 69.3 41.3 204.5
13.5 2.1 0.034 0.831 50.2 45.3 128.7
23.5 1.4 0.018 0.585 35.9 25.5 92.6
33.5 0.9 0.018 0.360 14.5 10.4 37.1
43.5 0.3 0.007 0.173 4.4 4.0 14.8
105
表3 给出了不同埋深下车站结构左上角点地震响应值。考察的指标有地震作用下的最大
位移、速度和加速度值，以及在最大层间位移角发生时的结构内力响应值，即轴力、剪力和
弯矩。随着埋深的增加，结构的各项响应指标均降低。如前所述，上海市的软弱土层具有地
震加速度放大效应。因此，埋深越浅，地铁车站结构的地震响应也越大。从埋深范围来看，
110 埋深20m 以内，结构响应大小处于同一等级；埋深40m 以内，结构响应降低，基本上是20m
埋深内结构响应值的一半。当结构埋深大于40m 时，地震作用对结构的影响几乎可以忽略。
这一点与地下结构震害报告的统计数据也是相吻合的。
3.2 跨距对地铁车站结构地震响应的影响
对于静力荷载作用下的地上结构，柱间跨距是影响结构承载能力的重要因素之一。为了
115 争取更大的建筑空间，建筑师往往倾向于设计大跨距结构形式。但是，跨距一大，对于同等
荷载条件和构件截面，柱所承担的有效荷载就变大了，因此也更不安全。这是针对静力荷载
也就是竖向荷载条件下的地上结构而言的。现改变结构形式，通过将双柱设为单柱形式的方
式，增大柱间跨距，以此考察地铁车站结构在地震作用下的动力响应特征。
 表4 列出了单、双柱情况下，结构左上角点的最大动力响应值。对比结果说明，结构的
120 跨距直接影响结构内力。当结构采用单柱形式时，跨距较大，柱内剪力和顶板内弯矩均有显
著上升。因为地震作用主要是侧向荷载，结构柱内轴力增加不明显。这与静力条件下的结构
受力特征相仿。而对比车站结构的位移、速度和加速度响应值可以发现，增大柱间跨距对结
构整体的动力响应并没有太大的影响。
125 表4 不同间柱形式下的车站结构地震响应值
Tab. 4 Summary of seismic responses with different span
间柱形式 位移
(mm)
速度
(m/s)
加速度
(m/s2)
轴力
(kN)
剪力
(kN)
弯矩
(kN*m)
双柱 2.8 0.044 0.867 69.3 41.3 204.5
单柱 2.5 0.038 0.789 69.9 69.7 249.8
3.3 地震波对地铁车站结构地震响应的影响
众所周知，地震波可看成是由多条简谐波叠加而成的。不同的地震波具有不同的振幅、
130 频率和持时，其波长波形成分存在差别。当地震波从基岩面向地表传播过程中，也会发生折
射和反射，过滤或者放大某些频率的波长。在不同地震波下，地下结构的响应也会有所差异。
表5 中可以看到地铁车站结构在上海人工波作用下的位移响应（6.5mm）远大于
El-Centro 波下的位移响应（2.8mm）。加速度响应值在两条地震波下相差不大。而结构内力
响应，即最大层间位移角时的结构轴力、剪力和弯矩，分别从El-Centro 波下的69.3kN、41.3kN
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