不同中心柱类型的地铁站在主震-余震序列中的相对地震脆弱性比较

地铁车站核心柱在主震-余震序列下的抗震性能与累积损伤效应研究。摘要：基于 Jiangsu某地铁站三维非线性有限元模型，对比分析框架柱（FC）、分离柱（SC）、核心加强柱（CRC）、截断柱（TC）在MS-AS序列下的地震响应与失效概率。研究表明：余震导致结构累积损伤显著，SC和TC在较高PGA下失效概率增幅最大，CRC始终表现最优。这些发现为地铁车站抗震设计提供了量化依据。

　　

王胜银|侯世伟|张文豪|张浩|杜秀丽

沈阳建筑大学土木工程学院，中国沈阳，110168

摘要

大量的地震后研究表明，余震往往会导致地下结构持续受损，对其抗震性能产生不可忽视的影响。然而，关于不同类型柱子在地震主震-余震（MS-AS）序列下的相对抗震脆弱性研究仍然相对较少。本研究旨在定量评估包含功能性柱子的地铁站在MS-AS序列下的抗震性能和损伤演变。选择中国江苏的一个两层三跨地铁站作为典型案例，并开发了一个考虑土-结构相互作用的三维非线性有限元模型。研究了四种类型的中央柱子：框架柱（FC）、分体柱（SC）、核心加固柱（CRC）和截断柱（TC）。采用层间位移比作为关键响应指标，同时利用增量动态分析（IDA）方法得出MS-AS序列的脆弱性曲线。结果表明，余震会导致结构累积损伤。基于50% IDA曲线，不同结构类型的地震响应比值（MS-AS与MS）分别为0.95～2.04、0.8～2.54、0.47～2.17和0.83～2.18。随着MS-AS序列的峰值地面加速度（PGA）增加，当PGA>0.56g时，分体柱的失效概率最高，其次是截断柱（PGA>1.27g），而核心加固柱的失效概率始终低于框架柱。这些发现强调了考虑MS-AS序列对不同结构配置的中央柱的累积损伤效应的重要性，并为地铁站的韧性设计提供了参考。

引言

在现代城市轨道交通系统中，地铁站是关键的地下交通枢纽，其抗震安全性直接影响城市功能的运行连续性和公共财产与生命的安全。地震是一种以主震 followed by 一系列余震为特征的自然灾害[1]。广泛的地震记录表明，大约86%的强地震后会有余震，其累积效应可能比主震本身造成更大的破坏[2]。许多地震后的研究表明，MS-AS序列在结构失效中起着有害作用。例如，在2008年中国汶川地震中，主震损坏了许多隧道结构，随后的余震中有5次超过6.0级，导致它们完全倒塌[3]。同样，2010年新西兰地震[4]和2022年中国青海地震[5]也显示，余震会显著加剧对地下结构和交通基础设施的破坏。这些观察结果突显了MS-AS序列的明显连锁效应，即主震引起的初始损伤显著增加了后续地震事件中的结构脆弱性[6]。尽管有这些观察结果，当前的地下结构抗震设计实践仍然主要考虑单一主震情景，对MS-AS序列引起的累积损伤的系统评估有限，特别是在复杂的地下空间如地铁站中。

在地铁站的结构系统中，中央柱是同时承受垂直荷载和抵抗水平地震作用的关键构件。它们的抗震性能直接影响整个结构的稳定性和安全性。1995年 Kobe 地震后对大开站进行的地震后调查显示，中央柱的脆性失效是屋顶倒塌和灾难性损坏的主要原因[7]。后续的数值和分析研究[8]进一步证实，中央柱的抗震能力不足会严重影响地下站结构的完整性[9,10]。在强烈的主震激励下，中央柱可能会遭受混凝土压碎、钢筋屈曲或刚度下降。当受到余震作用时，这些受损的柱子容易发生累积变形、刚度逐渐恶化以及承载能力迅速丧失，最终增加倒塌的可能性。因此，提高中央柱的抗震性能已成为提高地铁站结构韧性的重点问题。

为了提高中央柱的抗震性能，过去十年提出了各种设计策略。早期研究主要集中在通过隔离或能量耗散装置（如轴承和阻尼器[12,13]）来减少地震需求，以减轻侧向变形和内力。最近的研究则探索通过优化钢筋细节[14]、额外的约束构件[15]和复合结构形式[16,17]来提高抗震韧性。在这方面，提出了几种功能性柱子类型，如分体柱[18,19]、核心加固柱[20]和截断柱[21]，以改善结构在地震作用下的力学响应。然而，大多数关于中央柱的研究基于静态或单一地面运动条件，没有系统地考虑地震序列期间的累积损伤。此外，关于包含不同功能性柱子的地铁站的比较研究仍然很少，特别是从基于脆弱性的概率角度。

脆弱性分析已被广泛认为是评估结构在地震荷载下损伤演变和失效概率的有效定量工具[22]。先前的研究已将脆弱性方法应用于受到MS-AS序列影响的地上结构[23]，发现余震会显著改变延性需求[24]和倒塌概率。例如，Amiri等人[25,26]指出，可靠的结构评估还需要考虑连续地面运动之间的入射角度变化。Li和Ellingwood[27]使用不同的MS-AS序列模型对钢框架进行了地震脆弱性分析，发现复制方法可能会高估层间位移响应。相比之下，基于脆弱性的地铁站抗震评估主要关注现场条件[28][29][30]、结构布局[31]或地面运动特性[32][33][34]。例如，Zhong等人[35]全面评估了结构在连续地面运动下的抗震性能，发现余震的脆弱性高度依赖于主震引起的损伤状态。Wang等人[36]观察到，余震次数的增加显著提高了中央柱的峰值和残余位移，强余震造成的损伤可能远远超过单次主震造成的损伤。然而，MS-AS序列和中央柱配置的综合影响尚未得到系统研究。

根据上述综述，尽管已经认识到MS-AS序列的累积损伤效应和中央柱的重要性，但它们对具有不同功能性柱子的地铁站抗震脆弱性的综合影响尚未得到系统研究。特别是，关于包含不同中央柱配置的地铁站在MS-AS序列下的地震响应、损伤演变和脆弱性的定量比较仍然有限。

为了提供新的视角，本研究对具有四种中央柱类型的地铁站的抗震性能和脆弱性进行了全面的数值研究：框架柱、分体柱、核心加固柱和截断柱。使用ABAQUS平台[37]开发了一个考虑土-结构相互作用的三维非线性有限元模型。对各种MS-AS地震序列进行了动态响应分析，并使用增量动态分析得出脆弱性曲线并量化损伤概率。研究结果旨在为理解累积损伤机制提供定量基础，并为地铁站中央柱的韧性抗震设计提供指导。

地震脆弱性分析原理

地震脆弱性分析采用统计方法来量化结构在不同强度地震激励下达到各种损伤状态的概率。通过考虑地面运动特性和结构地震响应，它建立了地震强度测量与结构损伤状态之间的概率关系，从而提供了一种抗震性能评估的分析方法。

土-结构有限元模型

本研究以中国江苏的一个地铁站作为工程案例。该站采用两层矩形钢筋混凝土框架结构，截面尺寸为21.41 m × 14 m。顶板位于地面以下3 m处，考虑土-结构相互作用的有限元模型如图3所示。中央柱在纵向上以9 m的间距排列，在结构连接处进行了局部加固

地震记录的选择

根据抗震设计要求，本研究中的工程场地被归类为第三类场地，加固强度为8度。为了准确评估结构的抗震脆弱性，必须充分考虑地面运动的随机性和离散性及其对数值模拟结果的影响。Yang等人[50]建议，基于IDA的脆弱性研究应使用不少于15条地震记录。因此，本研究

地震概率需求模型

基于从缩放地面运动激励获得的弹塑性分析结果，并根据公式（3），在对数空间建立了IM和DM之间的关系。随后进行了线性回归分析以拟合离散数据集。ln(IM)-ln(DM)关系分别如图12、图13、图14、图15所示，表7展示了不同地震序列下四种结构类型的线性回归方程。

不同地震序列下站结构的脆弱性分析

基于线性

讨论

在地下结构的抗震设计中，余震引起的累积损伤是一个关键考虑因素。本研究表明，地铁站在MS-AS序列下的损伤概率显著高于单一主震。此外，具有不同中央柱类型的结构在连续地面运动下表现出明显不同的行为。

尽管功能性柱可以有效提高变形能力，但这些柱子可能会引起更大的

结论

基于增量动态分析，本研究对典型的两层三跨地铁站结构在MS-AS序列和单一主震条件下的脆弱性进行了比较分析。计算了脆弱性指数，以定量评估地震序列下的结构损伤概率，而混凝土损伤模式展示了余震的累积损伤效应。主要发现总结如下：

(1)

在

CRediT作者贡献声明

王胜银：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，概念构思。侯世伟：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。张文豪：撰写 – 审稿与编辑，监督。张浩：撰写 – 审稿与编辑，监督。杜秀丽：监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了辽宁省科学技术厅（资助编号：2024-MSLH-388）、辽宁省教育厅（资助编号：LJ242410153045）、北京工业大学教育部城市安全与灾害工程重点实验室（资助编号：2025B05）和辽宁省结构工程重点实验室（资助编号：2024-JGKF-05）的支持。对此表示衷心的感谢。