雙柱大懸挑高架車站抗震性能化設(shè)計(jì)

劉 軼

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢430063）

0 引言

隨著各地市區(qū)內(nèi)的地鐵線路趨于完善，城市軌道交通建設(shè)有向城郊鐵路及城際鐵路發(fā)展的趨勢，高架車站建設(shè)量也隨之增大［1］。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為高架車站的主流結(jié)構(gòu)形式，車站結(jié)構(gòu)根據(jù)其與區(qū)間橋梁的結(jié)合關(guān)系可分為以下3種：①“橋建合一”的全現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，即列車荷載直接作用在框架結(jié)構(gòu)的樓板上；②“橋建分離”的橋梁型結(jié)構(gòu)，即行車部分作為區(qū)間橋梁的延伸與站臺(tái)結(jié)構(gòu)完全分離；③“橋建部分合一”的半分離式結(jié)構(gòu)，即采用橡膠墊、或者滑動(dòng)支座，將軌道梁簡支于結(jié)構(gòu)的橫梁上［2］。

“橋建合一”的全現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)布置靈活、占用建筑高度較少、造價(jià)相對經(jīng)濟(jì)。雖然單跨框架結(jié)構(gòu)為抗震不利結(jié)構(gòu)，但為了減少對沿線車道的占用，“橋建合一”雙柱大懸挑結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為高架車站的一種主流結(jié)構(gòu)形式［3］。本文以城際高架線路的2 種車站類型為例，對該類建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供建議［4］。

1 工程概況

本工程分為高架段及地下段，全長約17 km；地下段長約為7.4 km，高架段長約為9.5 km，全線總共設(shè)站8座，其中高架站4座，高架站中2個(gè)為雙柱島式車站、2個(gè)為雙柱側(cè)式車站。

雙柱島式車站站臺(tái)長度為120 m，站臺(tái)寬度為11 m。站廳層采用橫向雙柱大懸挑結(jié)構(gòu)，橫向軸線尺寸為（6.2+7.0+6.2）m，縱向柱距為12 m。橫向帽梁為變截面梁尺寸為1.5 m×（1.5～2.4）m，中部縱向框架梁尺寸為0.6 m×1.5 m，邊部縱向框架梁尺寸為0.7 m×1.4 m，底部截面柱尺寸為2.2 m×1.7 m，見圖1?。

圖1 高架站斷面Fig.1 Sectional View of Elevated Station

雙柱側(cè)式車站站臺(tái)長度為120 m，站臺(tái)寬度為7.6 m。站廳層采用橫向雙柱大懸挑結(jié)構(gòu)，橫向軸線尺寸為（7.7+7.0+7.7）m，縱向柱距為12 m。橫向帽梁為變截面梁尺寸為1.5 m×（1.5～2.4）m，中部縱向框架梁尺寸為0.6 m×1.5 m，邊部縱向框架梁尺寸為0.7 m×1.4 m，底部截面尺寸柱為1.5 m×1.7 m，見圖1?。

本工程島式及側(cè)式車站均為橫向單跨雙柱結(jié)構(gòu)體系。單跨框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度較小，結(jié)構(gòu)耗能能力較弱，結(jié)構(gòu)冗余度較小。在罕遇地震作用下，宜發(fā)生單個(gè)豎向構(gòu)件破壞所引發(fā)的結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌現(xiàn)象。國內(nèi)外多次地震實(shí)踐也表明了這種特殊的單跨結(jié)構(gòu)體系對于抗震嚴(yán)重不利［5］。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010》［6］第6.1.5條表明單跨框架結(jié)構(gòu)不得應(yīng)用于甲、乙類建筑?？紤]到車站的重要性及人員密集性，本工程定義為重點(diǎn)設(shè)防（乙類），雖然按結(jié)構(gòu)高度不屬于高層建筑（混凝土結(jié)構(gòu)頂面高度15.24 m，鋼屋架頂面高度23.94 m），但單跨框架抗震性能較差，必須對抗震設(shè)計(jì)格外重視，實(shí)現(xiàn)其抗震性能目標(biāo)［7］。本文分別選取島式高架站和側(cè)式高架站進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)分析。

2 抗震設(shè)防目標(biāo)的確定

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50909—2014》［8］，本工程選用的地震重現(xiàn)期及抗震性能目標(biāo)如表1、表2所示。

表1 地震超越概率及重現(xiàn)期Tab.1 Seismic Transcendence Probability and Return Period

表2 抗震性能目標(biāo)Tab.2 Seismic Performance Objectives

3 抗震性能計(jì)算

3.1 抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)文獻(xiàn)［8］規(guī)定結(jié)合安評報(bào)告并參考文獻(xiàn)［6］相關(guān)條文后，確定本工程的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示。

表3 車站抗震計(jì)算參數(shù)Tab.3 Seismic Calculation Parameters of Station

3.2 多遇地震計(jì)算分析

對2 種車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性反應(yīng)譜法計(jì)算分析，得出計(jì)算結(jié)果如表4 所示。根據(jù)彈性計(jì)算結(jié)果可知：無論是島式還是側(cè)式車站，結(jié)構(gòu)在X向主軸方向及Y向主軸方向振動(dòng)形式基本一致，結(jié)構(gòu)的周期、振型等參數(shù)均在合理范圍內(nèi)；結(jié)構(gòu)所受地震作用與高度成正相關(guān)；有效質(zhì)量參與系數(shù)、樓層剪重比、位移角、位移比等指標(biāo)均滿足文獻(xiàn)［6］要求。在多遇地震作用下，車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性階段，車站轉(zhuǎn)換柱、框架梁及蓋梁的配筋率均在合理范圍，這與張何等人［9-10］的分析結(jié)果基本一致。

表4 多遇地震計(jì)算結(jié)果Tab.4 Frequent Earthquake Calculation Results

3.3 罕遇地震（大震）作用下的計(jì)算分析

3.3.1 彈性時(shí)程分析

根據(jù)文獻(xiàn)［6］第5.5.3 條第2 款的規(guī)定，本工程應(yīng)進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性時(shí)程計(jì)算。選取重現(xiàn)期2 475 年的2 條天然波及1 條安評單位提供的人工波對車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下彈性及彈塑性分析。

在罕遇地震下，最大彈性層間位移角分別為1/278和1/562，均發(fā)生在站廳層，如表5所示，其值小于文獻(xiàn)［6］第5.5.5條規(guī)定的1/50，滿足要求。

表5 罕遇地震彈性時(shí)程計(jì)算結(jié)果Tab.5 Elastic Time History Analysis Results of Rare Earthquakes

3.3.2 靜力彈塑性分析

采用Midas Civil 空間有限元軟件建立模型對車站進(jìn)行抗震性能化分析。采用集中塑性鉸對車站站廳層的轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱的塑性能力進(jìn)行模擬，即通過轉(zhuǎn)動(dòng)和平移彈簧把結(jié)構(gòu)的非彈性性能集中在單元的兩端和中心，結(jié)構(gòu)的其它位置假定為彈性。分析時(shí)所選取地震波與彈性時(shí)程分析所選波段保持一致。車站具體計(jì)算模型如圖2 所示，彈塑性模型與彈性模型所計(jì)算出特征周期如表6 所示。通過對比可以得出2 種模型的振型方向基本一致，但采用彈塑性分析所得出的周期要略大于在彈性分析下得出的結(jié)果，這是因?yàn)槟Ｐ驮诙x了塑性鉸后整體剛度較彈性狀態(tài)下有所削弱，而導(dǎo)致周期變長。

圖2 車站塑性鉸布置Fig.2 Plastic Hinge Layout Plan of the Station

表6 彈塑性與彈性分析周期對比Tab.6 Comparison of Elastoplastic and Elastic Analysis Periods （s）

罕遇地震下，X、Y向計(jì)算結(jié)果的最大值如圖3～圖4所示。島式車站在X向地震作用下的塑性鉸轉(zhuǎn)角最大值為Ry=0.000 884，在Y向地震作用下最大值為Ry=0.001 380，小于容許值，Rz未出現(xiàn)塑性鉸；側(cè)式車站在X向地震作用下的塑性鉸轉(zhuǎn)角最大值為Ry=0.002 270 在Y向地震作用下最大值為Ry=0.002 540，小于容許值，Rz未出現(xiàn)塑性鉸；滿足罕遇地震下的性能要求。

圖3 島式車站罕遇地震作用下塑形變形（轉(zhuǎn)角）計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation Results of Plastic Deformation（Turning Angle）of Island Station under Rare Earthquake Action

圖4 側(cè)式車站罕遇地震作用下塑形變形（轉(zhuǎn)角）計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation Results of Plastic Deformation（Turning Angle）of Side Station under Rare Earthquake Action

罕遇地震下，結(jié)構(gòu)層首層間位移角如表7所示。

表7 罕遇地震下位移角Tab.7 Displacement Angle under Rare Earthquake

由表7可知，在罕遇地震（大震）作用下，島式車站的X向最大層間位移角為1/585、Y向最大層間位移角為1/990，側(cè)式車站X向最大層間位移角為1/546、Y向最大層間位移角為1/291，均小于文獻(xiàn)［6］第5.5.5條對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)薄弱層不應(yīng)大于1/50的要求，可以滿足結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的變形要求。

4 抗震構(gòu)造措施

由車站結(jié)構(gòu)塑性變形圖3～圖4 可知，在罕遇地震作用下，塑性變形最大的區(qū)域發(fā)生在轉(zhuǎn)換梁梁端和轉(zhuǎn)換柱柱底，故需要對這2 個(gè)區(qū)域加強(qiáng)相應(yīng)的構(gòu)造措施［11］，擬采用的方法如下：

⑴應(yīng)將轉(zhuǎn)換柱豎向受力鋼筋插入承臺(tái)底部并與底部鋼筋相連，保證其豎向鋼筋受力伸入承臺(tái)有足夠的錨固長度；轉(zhuǎn)換柱豎向受力鋼筋應(yīng)與承臺(tái)頂面鋼筋連接，保證承臺(tái)頂面有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)變形能力［12］。

⑵轉(zhuǎn)換柱箍筋應(yīng)全長加密以增強(qiáng)其延性，箍筋體積配筋率可參照文獻(xiàn)［6］第6.3.9節(jié)規(guī)定。

⑶ 轉(zhuǎn)換梁箍筋應(yīng)全長加密以增強(qiáng)其變形能力［13］，構(gòu)造措施可參考文獻(xiàn)［6］第6.3.3節(jié)規(guī)定。

5 結(jié)論

⑴在多遇地震作用下，島式及側(cè)式車站結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，最大層間位移角小于1/550。

⑵在罕遇地震作用下，島式及側(cè)式高架車站最大層間位移角小于文獻(xiàn)［6］規(guī)定的1/50 要求，可以滿足在罕遇地震作用下的變形要求。

⑶在罕遇地震作用下，島式及側(cè)式高架車站塑性變形能力滿足延性設(shè)計(jì)要求，可以保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的變形能力，可以實(shí)現(xiàn)大震不倒。

⑷應(yīng)采取可靠的抗震構(gòu)造措施保證車站轉(zhuǎn)換柱底及梁端處的變形能力。具體構(gòu)造做法可為后續(xù)同類型工程設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。