高架地鐵車站抗震設(shè)計分析

盧國華

（南昌鐵路勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，江西 南昌330026）

隨著國家經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市交通壓力的與日俱增,我國已經(jīng)進(jìn)入了地鐵工程建設(shè)的黃金時代。我國是一個地震多發(fā)的國家,地鐵車站結(jié)構(gòu)一旦遭受地震破壞, 將會給出行帶來極大安全隱患，同時震后修復(fù)工作異常困難。因此,研究地鐵高架車站結(jié)構(gòu)抗震安全問題具有重大的意義和工程實用價值。

1 工程概況（圖1）

根據(jù)福州市實際工程，高架車站有效站臺中心處軌面絕對標(biāo)高19.00m，站中心處地面標(biāo)高7.88m，車站方案采用“橋建合一”的二層高架島式站臺車站。一層為站廳層（站廳層局部設(shè)置設(shè)備夾層），二層為站臺層。高架車站采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平面布置橫向七柱六跨、縱向十六柱十五跨。軌道梁支承在橫梁上，站臺層通過支承在站臺板下層橫梁上形成鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，站臺屋蓋采用鋼框架結(jié)構(gòu)。

圖1 高架車站橫剖面圖

車站總凈長140m，寬度49.2m。車站采用直徑1000 及直徑1300 鉆孔灌注樁，樁基持力層為<7-4>強風(fēng)化凝灰熔巖（碎塊狀）。本站為高架站，前后均為高架橋梁。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）（2016 版）和《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223-2008），確定本工程所在場地的抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g,設(shè)計地震分組為第三組。高架車站的抗震設(shè)防類別屬于重點設(shè)防類（乙類），需提高一度按8 度采取抗震措施，對應(yīng)的框架抗震等級為二級。場地類別為III 類。

高架車站結(jié)構(gòu)為百年工程，結(jié)構(gòu)安全等級為一級。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。為了解高架車站在地震作用下的安全性,對其進(jìn)行抗震設(shè)計性能分析。

2 計算模型及參數(shù)

運用YJKS1.9.2、PKPM2010 V3.1.1 兩種軟件,建立三維整體模型并進(jìn)行抗震性能設(shè)計分析。①多遇地震工況下，計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布及其配筋；②罕遇地震工況下，采用時程分析方法驗算結(jié)構(gòu)位移是否滿足規(guī)范限值。車站模型見圖2。

圖2 車站三維結(jié)構(gòu)模型

場地地震安全性評價報告提供參數(shù)如下表1。

表1 場地水平向設(shè)計反應(yīng)譜參數(shù)（阻尼比5%）

3 抗震計算結(jié)果及分析

E1 地震作用下，在同樣輸入條件下（同樣的地震動參數(shù)等）將PKPM-SATWE 和YJK兩種基于相同規(guī)范的不同系列軟件的分析結(jié)果進(jìn)行對比驗證分析。

多遇地震下車站結(jié)構(gòu)動力特性如下圖3。

第3 階 扭轉(zhuǎn)（T=0.555s）

多遇地震工況下（100 年超越概率63%）YJK 和PKPM-SATWE 分析結(jié)果對比如表2。

表2 YJK和PKPM-SATWE 分析結(jié)果對比表

根據(jù)計算結(jié)果可知：通過合理的結(jié)構(gòu)布置，框架結(jié)構(gòu)沿兩個主軸方向的振動形式相似，結(jié)構(gòu)周期、位移、振型均在合理范圍；地震作用力在高度方向上分布較為合理；有效質(zhì)量參與系數(shù)、周期比、位移比、位移角、樓層剪重比等指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范的要求；梁、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋均處于合理范圍，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段。

4 罕遇地震按彈塑性時程分析結(jié)果

根據(jù)場地地震安全性評價報告提供資料，按地震波選取三要素：強度、頻譜、持續(xù)時間，選取合適的3 條地震波參與時程分析計算。規(guī)范波與反應(yīng)譜對比如圖4 所示，計算結(jié)果如圖5 所示。

圖4 規(guī)范譜與反應(yīng)譜對比

圖5 主方向最大層間位移角曲線

大震不屈服采用振型分解反應(yīng)譜法和彈塑性動力時程分析方法進(jìn)行計算。根據(jù)計算結(jié)果可知：在罕遇地震(E3)作用下,結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/102,滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第5.5.5 條規(guī)定框架結(jié)構(gòu)樓層內(nèi)最大的彈塑性層間位移角限值1/50 的要求。說明結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，能保持主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不至于倒塌。

罕遇地震作用梁、柱損傷程度如圖6、圖7。

框架梁、柱破壞程度不大，且梁損傷大于柱損傷，符合二道防線的抗震設(shè)防思想。

圖6 梁損傷等級顯示圖

圖7 柱損傷等級顯示圖

5 結(jié)論及建議

5.1 多遇地震（E1）：利用反應(yīng)譜分析方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計。根據(jù)計算結(jié)構(gòu)可知，在X、Y向地震作用下各結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度均符合《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50111- 2006)(2009 版)和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010 的要求，層間位移角、層間位移比、周期比、柱最大軸壓比等均小于規(guī)范限值。結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

5.2 在罕遇地震下（E3），層間位移角滿足規(guī)范規(guī)定限值1/50的要求，從而可以保證改結(jié)構(gòu)在大震下不倒。

5.3 車站結(jié)構(gòu)屬于多跨連續(xù)框架，其結(jié)構(gòu)受力特點與民用建筑相似。地震作用下框架梁端塑性鉸先于框架柱端出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計時可優(yōu)化梁柱截面尺寸布置以滿足“強柱弱梁”的設(shè)計原則。

綜上所述，經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)布置及抗震構(gòu)造措施，該高架地鐵車站能滿足抗震設(shè)計的三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)，為乘客的出行安全保駕護(hù)航。