高架車站設(shè)計中的三種抗震規(guī)范參數(shù)比較

楊開屏

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司城市軌道與建筑設(shè)計研究院,710043,西安∥高級工程師)

高架車站設(shè)計中的三種抗震規(guī)范參數(shù)比較

楊開屏

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司城市軌道與建筑設(shè)計研究院,710043,西安∥高級工程師)

比較了《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》、《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》和《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》在高架車站設(shè)計中所用地震參數(shù)的異同,包括地震重現(xiàn)期、反應(yīng)譜曲線構(gòu)成、衰減指數(shù)等,得到《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》對多遇地震下低烈度區(qū)軟弱場地的地震作用提高最多,比《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》約提高30%,比《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》約提高80%。通過某場地條件下高架車站墩柱截面設(shè)計比較,得到《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》比《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》圬工量提高20%。

高架車站; 抗震設(shè)計; 設(shè)計參數(shù)

Author′s address China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi’an,710043,China

指導(dǎo)軌道交通高架車站抗震設(shè)計的規(guī)范主要有《地鐵設(shè)計規(guī)范》、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》、《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》,以及2014年12月頒布的《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》。其中,《地鐵設(shè)計規(guī)范》不提供高架車站抗震設(shè)計的具體理論和地震參數(shù),而將車站構(gòu)件分為車行和非車行兩類后,再各自依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》執(zhí)行抗震計算。而《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》雖有涉及高架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法和地震參數(shù)的規(guī)定,但與橋梁和建筑的抗震規(guī)范有所不同。因此,對于高架車站的抗震設(shè)計來說,采用不同的規(guī)范將形成不同的設(shè)計結(jié)果。本文擬對后三種規(guī)范的地震參數(shù)進行比較,最后結(jié)合工程實例,對西安某框架式高架車站采用《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》設(shè)計產(chǎn)生的差異進行比較。

1 設(shè)計規(guī)范的異同比較

1.1 地震重現(xiàn)期

規(guī)范對于抗震設(shè)防三水準的分類均相同,即多遇地震、設(shè)防地震及罕遇地震,其中《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》用詞采用E1、E2、E3地震作用。規(guī)范的差異在于多遇地震重現(xiàn)期?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》和《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的地震重現(xiàn)期均為50 a或表述為50 a超越概率63%的地震烈度;而《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》的地震重現(xiàn)期為100 a,相當(dāng)于50 a超越概率40%的地震烈度。這意味著《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》多遇地震的地震動峰值加速度較橋梁和建筑有顯著提高。

1.2 地震動反應(yīng)譜曲線

1.2.1 地震影響系數(shù)曲線

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的特征周期6 s內(nèi)地震影響系數(shù)曲線,由直線上升段(自振周期T小于0.1 s區(qū)段)、水平段(0.1 s至特征周期Tg區(qū)段)、曲線下降段(Tg至5Tg區(qū)段)和直線下降段(5Tg至6 s區(qū)段)4段構(gòu)成。地震影響系數(shù)曲線如圖1所示。

注:α為地震影響系數(shù);αmax為地震影響系數(shù)最大值;η1為下降斜率調(diào)整系數(shù);η2為阻尼調(diào)整系數(shù);Tg為特征周期;T為自振周期;γ為衰減指數(shù)

圖1 地震影響系數(shù)曲線

1.2.2 地震動加速度反應(yīng)譜曲線

《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》給出特征周期6 s內(nèi)的設(shè)計地震動加速度反應(yīng)譜曲線。曲線由直線上升段、水平段及曲線下降段三段組成。加速度反應(yīng)譜曲線如圖2所示。

曲線沒有直線下降段,采用曲線下降段延伸替帶。這意味著自振周期大于5Tg的長周期結(jié)構(gòu),《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》給出的衰減曲線下降較快,地震作用降低幅度較《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》大。

注:βm為動力放大系數(shù)最大值;amax為峰值加速度

1.2.3 動力放大系數(shù)曲線

《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的動力放大系數(shù)β曲線不適用長周期結(jié)構(gòu),當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期大于2 s時應(yīng)單獨研究。曲線由直線上升段、水平段、曲線下降段和水平延伸段四段組成,曲線如下圖3所示。

圖3 動力放大系數(shù)β曲線

曲線的前三段構(gòu)成與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》相近,但5Tg以后為無變化的水平延伸段。這種反應(yīng)譜曲線針對橋梁結(jié)構(gòu)的特點給出,因為長周期橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率低,設(shè)計將避免采用。

曲線差異分析三種規(guī)范曲線的差異在于自振周期大于5Tg的長周期結(jié)構(gòu)?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》采用直線下降方式,《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》沿用曲線下降方式,而《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》采用水平段或需單獨研究。

1.3 反應(yīng)譜曲線衰減指數(shù)γ

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中

(1)

而《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》中

(2)

式中:

γ——曲線下降段的衰減指數(shù);

ξ——阻尼比。

當(dāng)ξ為0.05時,《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對應(yīng)的γ為0.9;《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》對應(yīng)的γ為1.0;《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》沒有給出γ表達式,即認為γ始終為1.0。

γ影響曲線衰減速度,γ越大衰減速度越快,地震作用折減幅度越大。由此,《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》在反應(yīng)譜的曲線下降段對地震作用折減最少。

三種規(guī)范對于Tg的取值均依賴場地類別劃分,且具有一致性?？蓪ⅵ梅謩e取為0.9和1.0,按同一結(jié)構(gòu)、不同場地類別進行比較。將γ的影響轉(zhuǎn)化為(Tg/T)0.9/(Tg/T)1.0的值匯總見表1。

表1 γ的影響比較

由表1可見,除Ⅳ類場地外,反應(yīng)譜曲線下降段內(nèi)γ由0.9增大至1.0時,(Tg/T)的值約下降10%。這意味著受γ影響,自振周期在(Tg～5Tg)響應(yīng)段內(nèi)的結(jié)構(gòu),《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的反應(yīng)譜參數(shù)值比其他兩種規(guī)范高約10%。

1.4 地震作用的比較

1.4.1 地震作用的計算理論

反應(yīng)譜法適用于線彈性且阻尼分布均勻的結(jié)構(gòu)。它通過振型正交性假設(shè),將多自由度體系的振動問題轉(zhuǎn)化為一系列單自由度的振動問題。每個單自由度振動模態(tài)稱為1個振型。反應(yīng)譜法即以這些振型的線性組合來表示多自由度的實際振動模態(tài)[5]。多遇地震作用的計算均采用反應(yīng)譜法。據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》,j振型i質(zhì)點的水平地震作用為:

(3)

式中:

FijE——j振型i質(zhì)點的水平地震作用;

Ci——i質(zhì)點的重要性系數(shù);

α——水平地震基本加速度;

βj——j振型動力放大系數(shù);

γj——j振型參與系數(shù);

xij——j振型的振型坐標(biāo);

mi——i質(zhì)點的質(zhì)量。

而根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》,則有

(4)

式中:

Fji——j振型i質(zhì)點的水平地震作用標(biāo)準值;

αj——j振型自振周期的地震影響系數(shù);

γj——j振型參與系數(shù);

Xji——j振型i質(zhì)點的水平相對位移;

Gi——i質(zhì)點的重力荷載代表值。

同一高架車站自身動力特性相同,造成地震作用差異的在于不同規(guī)范對式(3)、(4)中一些參數(shù)取值的不同(包括衰減指數(shù)γ、地震動峰值加速度amax、動力放大系數(shù)βm、最大地震影響系數(shù)αmax以及重要性系數(shù)C)。以下對阻尼比為0.05的結(jié)構(gòu)分析以上幾種參數(shù),并進行地震作用的比較。

1.4.2 規(guī)范的比較

1.4.2.1 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》與《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》的比較

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中,βm取值為2.25,但未在反應(yīng)譜中直接體現(xiàn)出來,而是包含在αmax中?！冻鞘熊壍澜煌ńY(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》中,沒有αmax,而是采用βm和amax二者的乘積。其中βm的最大值為2.5。對于amax考慮了地震動峰值加速度調(diào)整系數(shù)Γa,以考慮地震烈度和場地類別的綜合影響。且在6 、7度地震區(qū)的軟弱場地,Γa取值將予以增大。

以下將《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》參數(shù)βm與amax的乘積與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》αmax進行比較,并考慮常見的Ⅱ類和Ⅲ類兩種場地類別。比較結(jié)果見表2。

表2 (βm·amax)與αmax的比值

由此可見,采用《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》相比采用《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的地震作用計算值有所增大。增大最多的為6度及7度區(qū)Ⅲ類場地,多遇地震計算值增大90%,設(shè)計地震及罕遇地震計算值增大30%。其余烈度及場地情況,多遇地震計算值增大約50%,設(shè)計地震及罕遇地震作用計算值增大約10%。響應(yīng)段在平臺段的結(jié)構(gòu)地震作用計算值增大最多,響應(yīng)段在曲線下降段的結(jié)構(gòu),由于受衰減指數(shù)影響,《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》的地震作用將總體下降10%。

1.4.2.2 《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》與《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》比較

由式(3),《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》中FijE=Ci·α·βj·γj·xij·mi。其中,β為2.25;C從重要性上考慮對多遇地震作用的提高,對于軌道交通結(jié)構(gòu)其值為1.5。將《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》參數(shù)βm與amax的乘積與《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》中的(αmax·β·C)相比,并考慮Ⅱ類和Ⅲ類兩種場地類別。比較結(jié)果見表3。

由此可見《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》相比《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》,地震作用計算值增大最多的為6、7度區(qū)Ⅲ類場地,三水準的地震作用計算值約增大30%～40%。其余烈度及場地情況,三水準下的地震作用計算值增大約10%。

1.4.3 比較的結(jié)果

對常見的多遇地震強度計算《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》提高最多的為低烈度區(qū)軟弱場地,比如6、7度區(qū)Ⅲ類場地,且相比《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》提高較少,相比《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》提高較多。對其余烈度及場地情況,《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》與《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》基本相當(dāng),而高于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》。這些差異主要受設(shè)計重現(xiàn)期和地震動峰值加速度調(diào)整系數(shù)的影響。

表3 (βm·amax)與(C·α·β)的比值

1.5 抗震措施

在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》中,高架車站屬于重點設(shè)防類,其抗震措施按本地區(qū)設(shè)防烈度提高1度的要求確定。而《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》將結(jié)構(gòu)分為A、B、C、D類。其中,高架車站按B類結(jié)構(gòu)的要求執(zhí)行,在抗震措施上僅按設(shè)防烈度要求確定,不需提高1度考慮。但《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》在多遇地震的計算上采用了重要性系數(shù),提高了地震作用計算值。

2 工程設(shè)計實例

2.1 工程概況

西安機場軌道交通線連接鐵路西安北站至咸陽機場,是1條以地面和高架結(jié)構(gòu)為主的軌道交通線路,采用6節(jié)編組B型車。本線某高架車站為二層側(cè)式車站,采用“橋-建”組合式框架結(jié)構(gòu)。車站總長146 m,總寬度為23.8 m,軌面至地面高差為7.5 m。地面一層為混凝土框架結(jié)構(gòu),二層為站臺鋼結(jié)構(gòu)雨棚,基礎(chǔ)采用樁基。車站的橫剖面圖見圖4。

對于構(gòu)件荷載組合和截面設(shè)計,《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》均采用極限狀態(tài)法,而《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》采用容許應(yīng)力法。目前,車站結(jié)構(gòu)設(shè)計多采用極限狀態(tài)法,容許應(yīng)力法一般用于車行構(gòu)件補充驗算。

下文以西安機場軌道交通線車站為例,比較《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》采用不同地震參數(shù)帶來的設(shè)計差異。

2.2 抗震設(shè)計參數(shù)

實例車站抗震設(shè)防烈度為8度,阻尼比為0.05,場地類別為Ⅱ類,Tg為0.35 s。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》,多遇地震動峰值加速度為0.07g,αmax為0.16,γ為0.9。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》,多遇地震動峰值加速度為0.1g,βm為2.5,γ為1.0。

2.3 地震作用比較

根據(jù)整體計算結(jié)果,結(jié)構(gòu)自振周期T為0.45 s,則結(jié)構(gòu)響應(yīng)段位于反應(yīng)譜曲線下降段。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》反應(yīng)譜曲線(見圖1),地震參數(shù)

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》反應(yīng)譜曲線(見圖2),地震參數(shù)

根據(jù)上述地震作用計算式(4),有

《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》的多遇地震作用比《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的高約50%。

借助PKPM結(jié)構(gòu)計算軟件,設(shè)定不同的反應(yīng)譜參數(shù)對兩種規(guī)范的設(shè)計結(jié)果進行比較。實例車站墩柱設(shè)計結(jié)果的比較列于表4?？梢?其設(shè)計結(jié)果分歧主要在墩柱構(gòu)件,而梁構(gòu)件差異相對較小。

通過空間模型的抗震分析可見,地震作用與簡化分析比值基本吻合。從設(shè)計配筋結(jié)果看,當(dāng)車站墩柱滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求時,如采用《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》設(shè)計標(biāo)準,則將出現(xiàn)超筋設(shè)計。此時,若保持墩柱配筋率不變,則截面增大約40%;若保持截面不變,則配筋約增大70%;若截面及配筋均增大,則圬工量增加約20%。

圖4 框架車站結(jié)構(gòu)橫剖面圖

采用的規(guī)范位移角X向柱底地震作用/kNY向柱底地震作用/kN截面配筋率/%備注《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》1/10005275811．0m×1．0m3．5《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》1/5808268661．0m×1．0m6．0超筋1/8808899721．1m×1．1m4．51/10009279951．2m×1．2m3．5

3 結(jié)論

總體來說,《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》的地震參數(shù)受重現(xiàn)期影響,對多遇地震作用提高較多,對設(shè)計及罕遇地震作用提高較少;受Γa影響,對低烈度區(qū)(6、7度區(qū))軟弱場地(Ⅲ類及以上)提高較多,對其他烈度區(qū)和場地類別提高較少。

多遇地震強度設(shè)計值增大最多的為6、7度區(qū)Ⅲ類場地。此情況下,《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》的多遇地震強度設(shè)計值比《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》提高30%,比《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》提高80%。在其余烈度區(qū)及場地,《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》地震作用設(shè)計值與《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》基本相當(dāng),且比《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》高40%。

設(shè)計地震和罕遇地震作用設(shè)計值增大最多的為6、7度區(qū)Ⅲ類場地。此情況下,《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》的設(shè)計值較其他兩種規(guī)范提高約30%。其他情況下,三種規(guī)范地震作用基本相當(dāng)。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》的高架車站抗震措施,按烈度提高1度設(shè)計,《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》不予提高。

高架車站墩柱在多遇地震下的強度設(shè)計,如采用《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》設(shè)計得到的墩柱圬工量比《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》增大約20%。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.地鐵設(shè)計規(guī)范:GB 50157—2013[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑抗震設(shè)計規(guī)范:GB 50011—2010[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[3] 中華人民共和國建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范:GB 50111—2006(2009年版)[S].北京:中國計劃出版社,2009.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范:GB 5019—2014[S].北京:中國計劃出版社,2014.

Comparison of Standard Parameters in Seismic Design of Elevated Station

YANG Kaiping

The “Code for Seismic Design of Buildings”,“Urban Rail Transportation Structure Seismic Design Code” and “Seismic Design Code Railway Engineering” in the seismic design of elevated station are compared to find their different parameters, including earthquake recurrence period,response spectrum curve and attenuation index.It shows that “Urban Rail Transportation Structure Seismic Design Code” plays greater role for the frequent earthquakes at weak sites,where the anti-seismic action is increased about 30% compared to the “Seismic Design Code for Railway Engineering”, and increased about 80% compared to the “Code for Seismic Design of Buildings”.Through column section design for a reinforcement frame of elevated station,the anti-seismic action is increased 20% compared to the “Code for Seismic Design of Buildings”.

elevated station; seismic design; design parameters

TU 352:U 233.4

10.16037/j.1007-869x.2016.12.009

2015-04-03)