采用不同新型功能柱的地下车站结构抗震性能对比研究.pdf

Earthquake Resistant EngineeringandRetrofitting2023Vol.45,No.31002-8412(2023)03-0091-11D0I:10.162261002-8412.2023.03.012文章编号Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingJun.20232023年6 月Vol.45,No.3第45 卷第3 期工程抗震与加固改造采用不同新型功能柱的地下车站结构抗震性能对比研究杜修力，潘颖超，赵密，黄景琦（1.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京10 0 12 4;2.北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室，北京10 0 0 8 3）提要基于高轴压比下中柱侧向变形能力不足导致含内柱框架式地铁车站结构地震破坏的机理认识，部分研究者在保证中柱竖向承载力不变的前提下，提出了分体柱、叠层夹芯柱、截断柱等几种新型功能柱以提高中柱侧向变形能力，进而提高车站结构抗震性能。当前对新型功能柱在地震作用下的力学行为已开展了大量研究，但对不同柱体形式对车站结构整体抗震性能提升效果并未开展系统评价，且缺乏直接对比研究。首先，针对某单层双跨地铁车站结构建立整体三维非线性数值分析模型，开展不同地震波及不同地震强度下传统方柱、分体柱、叠层夹芯柱、截断柱等4种中柱形式下的地震响应计算，从车站层间变形、整体损伤及关键构件内力响应等方面对新型功能柱的减震效果进行对比评价。研究结果表明：在降低车站结构混凝土损伤方面，截断柱效果最佳，叠层夹芯柱次之，分体柱最弱；3 种新型功能柱在提高结构中柱延性方面，叠层夹芯柱效果最佳，截断柱次之，分体柱最弱；在降低结构中柱内力响应方面，叠层夹芯柱最佳，分体柱次之，截断柱最弱。相关研究结果可为含内柱框架式地铁车站结构减震设计提供理论指导。关键词地铁车站结构；新型功能柱；抗震性能；地震响应；数值分析中图分类号TU375.4文献标识码AComparative study on seismic performance of underground station structure with differentnew functional columnsDu Xiu-li,Pan Ying-chao,Zhao Mi,Huang Jing-qi(1.Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering ofMinistry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.Beijing Key Laboratory of Urban UndergroundSpace Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:Based on the fact that the lateral deformation ability of the middle column is insufficient under high axial compression ratio,and the understanding of the seismic failure mechanism of the underground station frame structure with inner columns,under thecondition that the vertical bearing capacity of the columns remain unchanged,some researchers suggested several new types offunctional columns,such as split column,segment cored column and truncated column,to improve the lateral deformation capacity ofthe columns in the structure,and then improve the seismic performance of the station structure.Currently,a lot of studies have beencarried out on the mechanical behavior of new functional columns under earthquake,but there is no systematic evaluation on theeffectiveness of different column forms on the overall seismic performance of station structures,and there is a lack of direct comparativeresearch.First of all,an integral three-dimensional nonlinear numerical analysis model is established for a single-story and double-spanunderground station structure;the seismic response calculation of traditional square column,split column,laminated sandwich columnand truncated column under different earthquake intensity is carried out,and the damping effect of the new functional column iscompared and evaluated from the aspects of interlayer deformation,integral damage and internal force response of key members.Researches show that,in terms of reducing the concrete damage of underground station structure,the truncated column is the best,thesegment cored column is the second,and the split column is the weakest.In the aspect of improving the ductility of the three newfunctional columns,the segment cored column is the best,the truncated column is the second,and the split column is the weakest.For收稿日期2022-01-18基金项目国家自然科学基金联合基金项目（U1839201）Jun.Earthquake ResistantEngineeringgandRetrofitting2023922023年6 月工程抗震与加固改造reducing the internal force response of the column in the structure,the segment cored column is the best,the split column is thesecond,and the truncated column is the weakest.The relevant research results could provide theoretical guidance for the shock-absorbing design of underground station frame structure with inner columns.Keywords:underground station structure;new functional column;seismic performance;seismic response;numerical analysisE-mail:1引言当前我国正处于城市地下轨道交通工程的迅猛发展时期。“十三五”期间，我国城市轨道交通运营线路长度已达2 16 8 3.1公里，累计完成客运量共968.4亿人次。仅2 0 2 0 年，地铁里程数单年增长1122.19公里 1。中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2 0 3 5 年远景目标纲要【2 在建设现代化基础设施体系、打造数字经济、促进区域协调发展等多个方面均明确要求加快建设交通强国。而我国地处环太平洋地震带与欧亚地震带之间，全国半数以上的大中城市位于强震区，大规模的地铁工程建设面临严重的地震灾害威胁。历史震害调查表明地铁结构在地震中一旦受到破坏，将会给震后的应急和修复工作带来巨大的困难。因此，开展地铁车站结构抗震能力及性能提升技术研究具有重要意义。在地下结构发展初期，由于缺乏对地下结构地震响应特性的认知，通常认为地下结构由于受到周围围岩土体的约束，其抗震性能远优于地上结构而不会遭受严重破坏，地下结构的抗震研究未得到足够重视。然而在近几十年的多次大地震中，地下结构均出现了严重破坏案例 3-9 。其中,最为严重的震害案例为19 9 5 年阪神地震中的大开地铁车站，其站内3 0 根中柱均出现了严重的压弯、压曲及钢筋屈曲，车站顶板发生塌陷，整体形状呈“M形破坏 10 之后，国内外学者采用数值分析、模型试验等手段对大开地铁车站的破坏过程及机理开展了系统研究工作。相关研究成果表明：相对于连续的侧墙，中柱作为中断独立的竖向承力构件，其轴压比远大于侧墙，上覆土惯性效应引起轴压比的增加使得中柱抗剪切变形能力急剧下降而发生破坏，丧失竖向承载能力，进而引发车站结构顶板塌，造成车站整体成“M”型破坏-5 。因此，中柱为地下框架式车站结构的抗震薄弱部位，中柱变形能力不足是造成框架式车站结构破坏的重要原因。基于中柱变形能力不足这一破坏机理，当前针对含内柱的框架式车站结构的抗减震措施主要围绕增大中柱变形能力及减小中柱变形荷载两个方向开展研究，提出的中柱减震措施相应的可分为两类：一类为设置隔震支座以阻断地震荷载的传播路径，如：摩擦摆隔震支座 16.17 、铅芯橡胶隔震支座18.19 、双向辊轴摩擦摆隔震支座 2 0 等，利用隔震支座切断水平向地震荷载传至中柱的路径并通过自身滑移、塑性变形等方式耗散部分地震能量；另一类为采用新型功能柱，如：分体柱 2 1-2 4、叠层夹芯柱 2 5-2 7 、截断柱 2 8 等，提高结构中柱自身的变形能力。马乾瑛等 2 2 通过试验分析了分体柱的延性、刚度退化和滞回耗能等抗震性能，研究表明分体柱刚度退化较为缓和，具有良好的抗震性能。毛念华 2 3 通过有限元模拟，分析了将分体柱应用于地铁车站结构的可行性，研究表明分体柱在满足承载能力的前提下，提高了车站结构中柱延性，从而提高了车站结构的抗震性能。许成顺等 2 4 进一步分析了分体柱应用在地下结构的减震效果，发现在最大限度保证中柱竖向承载能力的同时，对中柱的水平变形能力提升效果最好为仅对纵向进行分体的二分柱。吴春玉 2 5 提出叠层夹芯柱这一新型功能柱以提高地下结构的抗震性能。Lu等 2 6 2 7 通过理论计算和有限元模拟分析，研究了叠层夹芯柱应用于地下结构的可行性以及影响叠层夹芯柱抗震性能的因素。其研究表明叠层夹芯柱具有良好的侧向变形能力，其内部弹性填充层可以避免芯柱产生剪切破坏的同时耗散部分地震能量，可以有效提高车站结构的抗震性能。杜修力等 2 8 提出将截断柱应用于地铁车站结构，研究发现采用截断柱的浅埋地下框架结构抗震新体系能够有效提高地铁车站结构的抗震性能，并具有良好的自复位能力。尽管现有研究对采取上述措施的地铁车站在地震作用下的力学行为均有涉及，但对不同柱体形式对车站结构整体抗震性能提升效果并未开展系统评价，缺乏对比研究。本文以天津某地铁车站为背景，基于ABAQUS有限元软件，建立土一结构三维整体非线性数值分Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023Vol.45,No.393杜修力，等：采用不同新型功能柱的地下车站结构抗震性能对比研究第45 卷第3 期析模型，系统对比研究了不同基岩输人地震动作用时传统方柱、分体柱、叠层夹芯柱、截断柱等4种中柱形式地铁车站的层间变形、整体损伤和关键构件内力响应等结构地震反应特性，评价3 种新型功能柱抗震性能优劣，以期为含内柱框架式地铁车站结构减震设计提供理论指导。2新型功能柱介绍地铁车站在地震作用下的塌毁坏是由结构中柱与侧墙侧向变形不协调所导致，根本原因在于中柱作为主要的竖向承载构件，其轴压比在静力荷载下远大于侧墙。地震作用下地铁车站结构的上覆土的竖向惯性力显著增加中柱轴力，导致中柱轴压比显著增大，侧向变形能力减弱，中柱丧失竖向承载力后引起顶板陷。研究者针对这一破坏机理提出了分体柱、叠层夹芯柱、截断柱等新型功能柱，在保证结构中柱竖向承载力不变的前提下，提高中柱侧向变形能力。分体柱、叠层夹芯柱、截断柱等3 种新型功能柱的减震机理具体如下。2.1分体柱主 2 1-2 4分体柱是指将截面较大的方柱用隔板分割成2个或者4个等截面单元柱，如图1(a)所示。将中柱从“短柱”变为“长柱”，增加了柱子的剪跨比，提高了其水平变形能力。已有研究表明，将中柱仅沿水平地震力作用方向进行分体，能够在提高抗震能力的同时较好地保留柱子的整体性及其竖向抗震性能。2.2叠层夹芯柱25-27叠层夹芯柱由外层柱段、摩擦层、弹性填充层和芯柱4部分组成，如图1(b)所示。外层柱段之间可以发生相对滑移，外层柱段与芯柱之间预留变形空间并用弹性材料进行填充为芯柱提供侧移空间。芯柱的截面面积较小，长细比较大，与传统方柱相比，实现了中柱从“短柱”到“长柱”的转变，提高了柱的水平变形能力。2.3截断柱 2 8 截断柱是中柱与车站结构不进行整体现浇，将中柱与结构之间的刚性连接变为由剪力销栓连接，如图1(c）所示。中柱与结构纵梁之间可以发生旋转，使其从“固接柱”变为“摇摆柱”，释放了柱、梁连接处的弯矩，提高地下结构抗震韧性。单元柱隔板(a)分体柱外层柱段摩擦层芯柱弹性填充材料(b)叠层夹芯柱两端截断界面张开(c)截断柱图1新型功能柱变形模式Fig.1The deformation mode of the new functional column3三维动力数值分析模型建立3.1地铁车站结构概况本文以天津某地铁车站结构为工程背景，采用ABAQUS有限元软件，建立土-结构三维动力数值分析模型。车站主体结构的横截面尺寸如图2 所示。车站横截面宽度为2 2.4m，整体高度为8.5 m，车站上覆土层厚度为5 m。车站顶板厚度为0.9 m，底板厚度为0.9 5 m，侧墙宽度为0.8 m，车站中柱纵向跨距为8 m。车站中柱采用传统方柱形式，其横截面尺寸为0.9 m1.5m，配筋率为2.16%。中柱配筋情况如图3（a）所示。为对比分析，本文以中柱截面面积及配筋率不变为前提，分别设计了分体柱、叠层夹芯柱和截断柱3 种新型功能柱，其尺寸及细部构造分别如图3（b）图3（d）所示。3.2有限元模型建立的有限元模型如图4所示。综合考虑模型Jun.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023942023年6 月工程抗震与加固改造8002240010060001OSSt00S80S9990016000S61120011200图2地铁车站横断面（单位：mm）Fig.2Cross section of subway station(unit:mm)计算效率及模型边界影响，土体计算宽度取156.8m（为结构宽度7 倍）。模型高46 m，纵向选取一跨尺寸为8 m。模型顶面为自由地表，底面为刚性基岩，左右侧面采用水平滚轴边界，前后面约束法向运动，底部强制输人基岩地震动。土体网格采用八结点积分单元（C3D8），网格尺寸在0.8 2 m之间，在靠近车站位置予以加密。车站结构采用八结点线性减缩积分单元（C3D8R），其中车站主体结构单元网格最大尺寸为0.4m，并在中柱处予以加密，中柱单元网格最大为0.2 m。钢筋采用等效三维杆单元（T3D2）模拟，单元长度约为1.2 m。各部件之间的接触情况设置如下：车站主体结构与土体之间采用绑定（Tie）连接，即假设在地震作用下车站主体结构和周围土体不产生相对滑移；钢筋采用ABAQUS中的嵌人法（Embedregion）内嵌到混凝土内部，不考虑钢筋与结构之间的粘结滑移；对于采用传统方柱、分体柱、叠层夹芯柱的3 种情况，中柱顶、底端与车站主体结构纵梁之间采用绑定（Tie）连接，假定柱端与纵梁之间不会发生相对滑移与分离。分体柱各单元柱之间法向设置“硬”接触，切向设置“罚”接触，取混凝土相互摩擦的常用摩擦系数0.4；对于叠层夹芯柱，弹性材料与芯柱和外层柱段之间采用绑定（Tie）连接，柱段之间法向设置“硬”接触，切向设置“罚”接触，摩擦系数为0.0 0 1 2 6 ；截断柱顶、底端与车站主体结构纵梁之间法向设置“硬”接触，切向设置为“粗糙”，保证截断柱与纵梁在接触后不发生滑移行为。00610061150015004803248032OSSt006OSSt1一$12100/20012100/2001-1截面1-1截面0S0(a)传统方柱配筋立面图及剖面图(b）分体柱配筋立面图及剖面图0061270320061R655122001500480321-1截面OSStOSSt外层柱段配筋1-0061003222$12100/200R160*$122001-1截面2-2截面芯柱配筋(c）叠层夹芯柱配筋立面图及剖面图(d）截断柱配筋立面图及剖面图图3中柱截面尺寸及配筋（单位：mm）Fig.3Section reinforcement of middle columns(unit:mm)2023Earthquake Resistant EngineeringandRetrofittingVol.45,No.395杜修力，等：采用不同新型功能柱的地下车站结构抗震性能对比研究第45 卷第3 期地面网格尺寸2mx0.8m水平精移边界网格尺寸网格尺寸2m2m0.8m2m刚性基岩围定近界传统方程！网格尺寸分体柱网格尺寸结构10.4mx0.4m结构0.4mx0.4m叠层夹芯柱网格尺寸网格尺寸结构10.4mx0.4ml0.4m0.4m图4土一地下结构相互作用体系有限元网格划分Fig.4Finite elements of soil-undergroundstructure interaction system3.3场地土与钢筋混凝土本构模型及材料参数场地土层厚度及材料参数如表1所示。土体通过等效线性化方法考虑其非线性。具体为利用EERA软件计算土层反应，从而确定土体等效材料参数，即土体的等效剪切模量和等效阻尼比。计算E2地震动作用时混凝土采用弹性模型，计算E3地震作用时混凝土采用ABAQUS中自带的混凝土塑形损伤模型（CDP模型）来模拟其力学行为。侧墙及顶底板采用C40混凝土。传统方柱、分体柱和截断柱采用C50混凝土。叠层夹芯柱外层柱段采用C60混凝土，芯柱采用C40混凝土，为更好地实现弹性填充材料的可压缩性，同时考虑到数值计算的连续性和收敛性，选定弹性填充材料密度为100kg/m，弹性模量为1MPa,泊松比为0 2 6 。钢筋采用理想弹塑性模型，密度为7 8 0 0 kg/m，弹性模量为2 0 0 GPa，泊松比为0.3，屈服应力为2 40 MPa。表1土层的主要物理力学参数Tab.1Main physical parameters of soils土层深度密度剪切波速分层土质泊松比(m)(kg/m)(m/s)1粉质黏土02.517001470.352粉土2.57.520001900.353粉质黏土7.52420002230.364粉质黏土242720202420.365粉质黏土274220002700.336细砂424621003200.287基岩4621005000.473.4输入地震波的选取采用3 种不同频谱特性的天然地震动，Loma-Prieta波、El-Centro波和Kobe波的水平方向地震动作为输人地震波 2 9 ,3 条地震波的傅氏谱如图5 所示。所用Loma-Prieta波为19 8 9 年美国圣克鲁斯山地震时CDMGSTATION47381台站记录的强震地震波，是典型的近场地震动 3 0 ;El-Centro波为19 40 年美国Imperial山谷地震时ElCentroArray9台站记录的强震地震波，是人类记录到的第一条地震波，是典型的中远场地震动；Kobe波为19 9 5 年日本阪神地震中神户大学观测并记录的强震加速度记录，是典型的近场地震动 3 1。根据城市轨道交通结构抗震设计规范（CB50909-2014）（以下简称规范）【3 2 中对于设计地震动加速度反应谱的规定，绘制出类场地的标准反应谱，图6 给出了3 条地震波（加速度幅值调整为0.1g）与规范设计反应谱的对比情况，3 条地震波与规范设计反应谱拟合程度较好。3 条地震波的原始加速度时程曲线如图7所示。根据规范【3 2 中对处于0.2 g地震动峰值加速度分区的类场地设计地震动峰值加速度的规定，分别将3 条地震动的加速度峰值调整至0.2 g（E2 地震作用）和0.4g（E3 地震作用）。基于一维等效线性化场地反应分析软件EERA将调幅后的地表地震动进行反演，在基岩处强制输人反演后的地震动。由于3 条地震波后半段（尤其是3 0 s后）地震动幅值均衰减至很小值，为节省计算时间，仅取前32s的地震动时程进行分析。0.04Loma-Prieta波El-centro波0.03Kobe波0.020.01MMA0.00M0102030频率(Hz)图5地震波傅氏谱Fig.5Fourier spectrum of ground motion acceleration4楼数值模拟结果分析4.1车站结构地震损伤由于E2地震作用下各中柱形式的车站结构地震损伤情况较小，本节仅分析E3地震作用下的结构损伤情况。另外，E3地震作用下的El-Centro波和Loma-Prieta波的地震损伤情况与输人Kobe波时规律相似，故以Kobe波作用下损伤演化过程为例进Jun.2023Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023年6 月96.工程抗震与加固改造0.6Loma-Prieta波反应谱El-Centro波反应谱Kobe波反应谱0.4(3)规范设计反应谱0.20.00246时间(s)图6 地震波反应谱与规范设计反应谱对比Fig.6Comparison of actual spectrum and code spectrum0.40.2(8)单0.0M-0.2-0.450102030时间（s)(a)Loma-Prieta波0.40.2(3)单0.0-0.2-0.40102030时间(s)(b)El-Centro波0.40.2(3)单0.0-0.2-0.40102030时间(s)(c)Kobe波图7地震波加速度时程Fig.7Time histories of the earthquake waves行分析。图8、图9 和图10 分别给出了不同时刻下分别采用传统方柱、分体柱、叠层夹芯柱和截断柱时车站结构的受拉损伤云图。图中DAMAGET表示混凝土材料受拉损伤因子，数值越大代表混凝土受拉损伤越严重，接近1时表示混凝土材料趋于完全受拉破坏。当输人地震动加载至2.5 s时，车站结构开始发生混凝土受拉损伤，如图8 所示。传统方柱结构最先发生损伤的部位为中柱右侧顶部和右侧墙下部，左侧墙上部产生轻微损伤。分体柱结构中柱未出现损伤，右侧墙下部和左侧墙上部产生损伤，损伤程度较传统方柱而言较轻。叠层夹芯柱结构右侧墙下部和左侧墙上部发生损伤，损伤面积略大于传统方柱侧墙的损伤面积，结构其余位置均未发生损伤。截断柱结构左侧墙上部和右侧墙下部产生损伤，截断柱未产生损伤。DAMAGET(Avg:75%)+6.984e-03+6.402e-03+5.820e-03+5.238e-03+4.6568-03+4.0748-03+3.492e-03+2.910e-03+2.328e-03+1.746e-03+1:164e-03+5.820e-04+0.000e+00(a)传统方柱结构DAMAGET(Avg:75%)+6.984e-03+6.402e-03+5.820e-03+5.238e-03+4.6560-03+4.074e-03+3.492e-03+2:910e-03+2:328e-03+1.746e-03+1.164e-03+5.820e-04+0.000e+00(b)分体柱结构DAMAGET(Avg:75%)+6.984e-03+6.402e-03+5.820e-03芯柱+5.238e-03+4.656e-03+4.074e-03+3.492e-03+2.910e-03+2.328e-03+1.746e-03+1:164e-03+5.820e-04+0.000e+00(c)叠层夹芯柱结构DAMAGET(Avg:75%)+6.984e-03+6.402e-03+5.820e-03+5.238e-03+4.656-03+4.074e-03+3492e-03+2.910e-03+2.328e-03+1.746e-03+1.164e-03+5.820e-04+0.000e+00(d)截断柱结构图82.5s时车站结构地震受拉损伤云图Fig.8Seismic tension damages of undergroundstructureat 2.5s当输入地震动加载至6.9 3 s时，加速度接近Kobe波的峰值加速度。如图9 所示，此时结构整体受拉损伤程度较大，传统方柱结构左侧墙下部和右侧墙上部损伤面积急剧扩大，中柱与纵梁连接处产生较为严重的损伤。分体柱结构侧墙损伤较传统方柱更为严重，但分体柱的损伤情况轻于传统方柱。叠层夹芯柱结构和截断柱结构侧墙损伤情况较分体Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingVol.45.No.3202397杜修力，等：采用不同新型功能柱的地下车站结构抗震性能对比研究第45 卷第3 期柱结构更为严重，叠层夹芯柱的芯柱顶、底部产生轻微损伤，截断柱中柱未产生损伤。DAMAGET(Avg:75%)+8.7206-01+7.993e-01+7.267e-01+6.5400-01+5.813e-01+5.0878-01+4.360e-01+3.6338-01+2.9078-01+2.180e-01+1.453e-01+7.267e-02+0.000e+00(a)传统方柱结构DAMAGET(Avg:75%)+8.720e-01+7.993e-01+7:2670-01+6.5400-01+5.813e-01+5.0870-01+4.360e-01+3.633e-01+2.9078-01+2:180e-01+1.453e-01+7:267e-02+0.000e+00(b)分体柱结构DAMAGET(Avg:75%)+8.7208-01+7.993e-01+7：2 6 7 0-8 1+6.5400-01芯柱+5.813e-01+5.0878-01+4.360e-01+3.6330-01+2:9078-01+2.180e-01+1.453e-01+7.267e-02+0.000e+00(c)叠层夹芯柱结构DAMAGET(Avg:75%)+8.720e-01+7.993e-01+7:2678-01+6.5400-01+5.813-01+5.087e-01+4.360e-01+3.6330-01+2:9070-01+2.180e-01+1.4536-01+7.267e-02+0.000e+00(d)截断柱结构图96.93s时车站结构地震受拉损伤云图Fig.9Seismic tension damages of undergroundstructureat6.93s当输人地震动加载至10.7 2 s时，车站整体损伤情况达到最大，如图10 所示，其后结构损伤情况并未发生明显改变。此时传统方柱结构中柱顶、底部发生破坏且底部损伤面积更大，侧墙在水平地震动作用下产生贯穿伤，顶、底部损伤较为严重。分体柱结构侧墙形成贯穿损伤且损伤情况较传统方柱更为严重，中柱损伤不及传统方柱严重，中柱顶、底与纵梁连接处仍均发生损伤，且底部损伤更为严重。叠层夹芯柱结构侧墙损伤较分体柱结构侧墙而言略为严重，芯柱顶、底部产生贯穿截面的轻微损伤，外侧柱段未产生任何损伤；截断柱结构侧墙损伤情况与叠层夹芯柱结构侧墙损伤情况近乎相同，但截断柱无任何损伤。从上述车站结构损伤分析可知，采用3 种新型功能柱的结构体系均在很大程度上降低了中柱混凝土的受拉损伤程度。虽然在一定程度上增加了侧墙混凝土的受拉损伤，但与降低中柱混凝土受拉损伤DAMAGET(Avg:75%)+8.7208-01+7.993-01+7:2678-01+6.540-01+5.8138-01+5.0878-01+4.3600-01+3.6330-01+2.9070-01+2.1800-01+1-4530-01+7.2678-02+0.000e+00(a)传统方柱结构DAMAGET(AVg:75%)+8.7208-01+7.993e-01+7:2678-81+6-540e-01+5.8130-01+5.0870-01+4.3600-01+3.6338-01+2.907e-01+2:1808-01+3453e-01+72678-02+0.000e+00(b)分体柱结构DAMAGET(Avg:75%)+8.720e-01+7.993e-01芯柱+7:267e-01+6:5400-01+5.813e-01+5.087e-01+4.360e-01+3.633e-01+2.907e-01+2:180e-01+1.453e-01+7.267e-02+0.000e+00(c)叠层夹芯柱结构DAMAGET(Avg:75%)+8.720e-01+7.993e-01+72670-81+6:540e-01+5-813e-01+5.0870-01+4.3600-01+3.633e-01+2.907-01+2.180e-01+1.453e-01+7:267e-02+0.000e+00(d)截断柱结构图1010.72s时车站结构地震受拉损伤云图Fig.10Seismic tension damages of undergroundstructureat10.72s相比，侧墙增加的损伤程度及面积较小。这与几种新型功能柱的设计初衷相符合，即通过增加中柱侧向变形能力而尽量避免抗震能力较弱的中柱出现破坏，并将地震荷载尽量分配给抗震能力较强的侧墙承担。总体而言，3 种新型功能柱地震损伤情况较传统方柱而言均有明显减弱，其中效果最佳的为截断柱，叠层夹芯柱次之，分体柱效果最弱。4.2车站结构层间位移角表2 给出了不同工况下地铁车站结构中柱的层间位移角幅值。当输入地震动峰值加速度由0.2 g增加至0.4g时，各类型中柱的层间位移角幅值均迅速增加。在各工况下，新型功能柱的层间位移角均大于传统方柱情况。E2地震动作用下各工况的层间位移角幅值均远小于地铁结构抗震设计标准（GB/T51336-2018）3 3 1（以下简称标准）中规定的单层结构弹性层间位移角限值1/5 5 0，E3地震动作用下各工况的层间位移角幅值均远小于标准规定的弹塑性层间位移角限值1/2 5 0。图11给出了在E2地震动和E3地震动作用下输人不同地震波，3 种新型功能柱层间位移角相对Jun.Earthquake Resistant EngineeringgandRetrofitting2023982023年6 月工程抗震与加固改造传统方柱的增幅。除输入峰值加速度为0.2 g时，输人Kobe波这一工况外，其余工况下，对于地下结构中柱层间位移角幅值增幅最大的均为叠层夹芯柱，增幅为2 3%43%；截断柱对于中柱的层间位移角幅值增幅为18%3 5%；分体柱对于中柱层间位移角幅值增幅为15%3 3%。结合4.1节给出的中柱损伤情况可知，3 种新型功能柱层间位移虽然均较传统方柱具有增加，但由于3 种新型功能柱具有良好的侧向变形能力，所以3 种新型功能柱的损伤破坏情况明显小于传统方柱的情况。表2传统方柱和新型功能柱的层间位移角幅值（%）Tab.2Maximum inter-storey drift ratio of the traditionalcolumn and the new functional column(%o)El-Centro波Kobe波Loma-Prieta波输人地震波0.2g0.4g0.2g0.4g0.2g0.4g传统方柱结构0.460.890.420.710.410.97分体柱结构0.531.100.530.940.491.12叠层夹芯柱结构0.5 91.120.521.010.531.19截断柱结构0.551.120.540.950.501.170.4口分体柱叠层夹芯柱网截断柱0.328%28%28%25%2.4%22%0.218%19%16%0.10.0El-Centro波Kobe波Loma-Prieta波地震波(a)E2地震动作用0.60门分体柱叠层夹芯柱网截断柱0.4543%35%33%33%0.3026%24%23%20%15%0.150.00El-Centro波Kobe波Loma-Prieta波地震波(b)E3地震动作用图11中柱层间位移角增幅Fig.11Increase of interlayer displacement angleaboutcolumn4.3车站结构关键截面内力响应为进一步探究新型功能柱的作用效应，本节对不同工况下车站各构件的内力进行分析。由于中柱形式的改变势必引起结构内力的重分布，导致侧墙的内力产生相应的变化，所以除了对比中柱的内力响应外，还需对侧墙的内力进行对比分析。通过动力时程计算发现，在所有的工况中，中柱形式的改变对于中柱和侧墙的轴力影响并不大，因此下文仅分析中柱和侧墙的剪力与弯矩。表3 给出了不同工况下车站结构中柱底部和侧墙底部的剪力及弯矩幅值。图12 给出了各新型功能柱的中柱底部、侧墙底部剪力和弯矩较传统方柱结构变化幅值。其中叠层夹芯柱底部剪力幅值降幅达到9 3%，分体柱降幅为6 4%，截断柱降幅为6 0%，而3 种侧墙底部剪力的增幅最大仅为9%。叠层夹芯柱底部弯矩的降幅为9 9%，分体柱为6 0%，截断柱为2 8%，而侧墙底部弯矩增幅最大为2 2%。上述内力对比结果与图8、图9 和图10 中结构整体损伤云图较为一致。具体为各新型功能柱自身内力具有非常明显减小，因此其损伤情况远小于传统方柱，避免了大开地铁车站中出现的中柱率先破坏而引起结构整体破坏的情况。另外，各新型功能柱保证了竖向承载能力不变，因此侧墙轴力并未发生明显改变。新型功能柱侧向刚度减弱而使得侧墙弯矩与剪力出现一定程度增加，但由于柱子本身抗弯刚度与抗剪刚度远小于侧墙的刚度，因柱子侧向刚度减弱而使得侧墙的剪力与弯矩并未出现明显增加,其对应的损伤程度也基本与传统方柱相同。也就是