高架地鐵車站抗震分析

陳麗軍,胡 寧,張茂會,郭俊峰,劉 璐

(武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,武漢 430023)

高架地鐵車站抗震分析

陳麗軍,胡 寧,張茂會,郭俊峰,劉 璐

(武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,武漢 430023)

以某軌道交通工程高架地鐵車站為背景,建立有限元計(jì)算模型,分析地震作用下高架車站墩柱結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。結(jié)果表明:在多遇地震作用下,該高架車站墩柱強(qiáng)度滿足規(guī)范要求；在罕遇地震作用下,該高架車站墩柱非線性位移延性比滿足規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果已為該高架車站的抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù),分析方法可為同類結(jié)構(gòu)提供參考。

高架地鐵車站；多遇地震;罕遇地震；時程分析；延性比

1 工程概況

圖1 某地鐵高架車站布置示意(單位：m)

某軌道交通工程地鐵車站為高架三層車站，采用“橋-建”組合的結(jié)構(gòu)體系，一層為地面層，二層為站廳層，三層為站臺層。車站主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，一層采用雙墩柱加蓋梁結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用柱下承臺樁基礎(chǔ)方案。車站總高約23.68 m。車站有效站臺總長151 m，凈寬10.8 m。車站結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)行《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)[3]，橋-建組合結(jié)構(gòu)體系中，支承橫梁的墩柱應(yīng)按現(xiàn)行《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)[4]進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，地震力的作用，應(yīng)按現(xiàn)行《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006)[5]的相關(guān)規(guī)定計(jì)算。按《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006)(2009年版)，本高架車站工程抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。為了掌握該地鐵高架車站在地震作用下的受力情況，并檢驗(yàn)其在場地安評地震波作用下是否達(dá)到其抗震性能目標(biāo)，對其進(jìn)行了地震作用下抗震性能分析[12]。

2 高架車站結(jié)構(gòu)有限元分析模型

采用橋梁分析專用軟件MIDAS/Civil建立地鐵高架車站有限元模型進(jìn)行抗震分析，建模時站廳層、站臺層采用C50混凝土材料的板單元模擬，軌道梁、蓋梁、墩柱、承臺、樁基均采用C40混凝土材料的空間梁單元來模擬，同時對樁基邊界采用“m”法模擬樁-土效應(yīng)[2]。為了模擬結(jié)構(gòu)整體的地震響應(yīng)，計(jì)算以整體高架車站為對象，同時考慮兩側(cè)橋梁的影響以支座反力加在兩側(cè)邊蓋梁上。計(jì)算有限元模型如圖2所示。

圖2 車站有限元模型

3 多遇地震下墩柱強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006)(2009年版)第7.1.4條規(guī)定：橋梁抗震驗(yàn)算，應(yīng)分別按有車、無車進(jìn)行計(jì)算[5]。多遇地震下，考慮有車和無車兩種工況進(jìn)行計(jì)算，取計(jì)算結(jié)果的最大值[11]。車站下部結(jié)構(gòu)承臺到站廳層之間的柱墩計(jì)算結(jié)果見表1～表6。

3.1 順橋向地震作用下墩柱強(qiáng)度驗(yàn)算

荷載組合一(無車)：恒載+恒載X向(順橋向)地震作用。

荷載組合二(有車)：恒載+活載豎向力+恒載X向(順橋向)地震作用。

表1 荷載組合一(無車)工況下部墩柱X向多遇地震下內(nèi)力匯總

表2 荷載組合二(有車)工況下部墩柱X向多遇地震下內(nèi)力匯總

按《鐵路橋涵混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3—2005)容許應(yīng)力法進(jìn)行截面配筋驗(yàn)算[6]，驗(yàn)算結(jié)果見表3。

表3 順橋向墩柱強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果 MPa

3.2 橫橋向地震作用下墩柱強(qiáng)度驗(yàn)算

荷載組合三(無車)：恒載+恒載Y向(橫橋向)地震作用。

荷載組合四(有車)：恒載+活載豎向力+0.5倍活載地震力+恒載Y向(橫橋向)地震作用。

按《鐵路橋涵混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3—2005)容許應(yīng)力法進(jìn)行截面配筋驗(yàn)算[6]，驗(yàn)算結(jié)果見表6。

表4 荷載組合三(無車)工況下部墩柱Y向多遇地震下內(nèi)力匯總

表5 荷載組合四(有車)工況下部墩柱Y向多遇地震下內(nèi)力匯總

表6 橫橋向墩柱強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果 MPa

由以上計(jì)算可知，在多遇地震作用下，高架地鐵車站墩柱強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4 罕遇地震下墩柱延性驗(yàn)算

根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006)(2009年版)7.3.3條，在罕遇地震作用下應(yīng)進(jìn)行墩柱的延性比驗(yàn)算[5]。對罕遇地震下地震作用采用非線性時程分析方法，將有限元模型中的墩柱頂?shù)撞坎捎美w維梁單元模擬，地震作用下的位移采用有限元模型計(jì)算安評地震波作用下墩頂最大位移。屈服位移采用Pushover計(jì)算出結(jié)構(gòu)順橋向或橫橋向受力最大鋼筋屈服時的墩頂位移[7-8]。墩柱計(jì)算的延性比見表7、表8。

由以上罕遇地震下計(jì)算結(jié)果可知，墩柱延性比均小于4.8，滿足規(guī)范要求，且墩柱罕遇地震下最大彎矩均小于相應(yīng)截面最不利軸力對應(yīng)的等效屈服彎矩，墩柱未進(jìn)入塑性工作狀態(tài)。

表7 順橋向墩柱延性比

表8 橫橋向墩柱延性比

5 結(jié)論

針對本高架地鐵車站建立的整體結(jié)構(gòu)有限元模型，通過對該高架車站地震作用下的時程分析及墩柱的延性驗(yàn)算，得到如下結(jié)論。

(1)在多遇地震作用下，該地鐵高架車站墩柱混凝土最大壓應(yīng)力為13.6 MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力為100.2 MPa，最大壓應(yīng)力為183.1 MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

(2)在罕遇地震作用下，該地鐵高架車站墩柱延性比均小于4.8，滿足規(guī)范要求；且墩柱罕遇地震下最大彎矩均小于相應(yīng)截面最不利軸力對應(yīng)的等效屈服彎矩，表明墩柱未完全進(jìn)入塑性工作狀態(tài)。

[1] (美)克拉夫，J.結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M].彭津，王光遠(yuǎn)，等譯校.北京：高等教育出版社，2006.

[2] 謝旭.橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析與抗震設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社，2006.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[5] 中華人民共和國鐵道部.GB 50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2009.

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[7] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ 166—2011城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[8] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[9] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[10] 中華人民共和國鐵道部.TB 10005—2010鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

[11] 毛學(xué)鋒，許智焰，周永禮.深圳地鐵3號線高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(12)：94-98.

[12] 武漢地震工程研究院有限公司.武漢市軌道交通機(jī)場線工程場地地震安全性評價報(bào)告[R].武漢：武漢地震工程研究院有限公司，2014.

Seismic Analysis of Elevated Metro Station

CHEN Li-jun, HU Ning, ZHANG Mao-hui, GUO Jun-feng, LIU Lu

(Wuhan Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Wuhan 430023, China)

Based on an elevated metro station, the finite element model is established to research the seismic response of the station under earthquake. Research results show that the strength of the pier column meets the requirements of the specifications in case frequent earthquake, while the value of the nonlinear displacement ductility ratio of the pier column satisfies the standard in case of rare earthquake. The results are taken as the theoretic basis for the project and the analytical method may serve as reference for similar structures.

Elevated metro station; Frequent earthquake; Rare earthquake; Time history analysis; Ductility ratio

2015-04-28；

2015-05-22

陳麗軍(1987—)，男，工程師，2012年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：79236055@qq.com。

1004-2954(2015)12-0088-03

U231+.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.021