地鐵“建橋合一”車(chē)站結(jié)構(gòu)抗震性能分析

劉亞南

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城建院，710043，西安∥工程師）

基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的抗震性能分析［1］。設(shè)計(jì)者依據(jù)業(yè)主的要求，從不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，將結(jié)構(gòu)抗震性能分為不同級(jí)別，從而確定合理的抗震目標(biāo)，采取合理的構(gòu)造措施。

基于性能抗震設(shè)計(jì)的基本思想是把結(jié)構(gòu)在可能發(fā)生的所有地震作用下的最大響應(yīng)均控制在性能目標(biāo)之內(nèi)［2］。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要在3級(jí)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化，以實(shí)現(xiàn)“建橋合一”結(jié)構(gòu)的多層次和個(gè)性化設(shè)計(jì)思想［3］。

1 基于性能的抗震設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容

基于性能的抗震設(shè)計(jì)，其研究?jī)?nèi)容一般包括確定設(shè)防水準(zhǔn)、確定性能等級(jí)、確定性能指標(biāo)、確定分析方法、制定抗震設(shè)計(jì)規(guī)范等方面。

1.1 抗震設(shè)防水準(zhǔn)

本水準(zhǔn)的設(shè)防參數(shù)根據(jù)客觀的設(shè)防環(huán)境和已定的設(shè)防目標(biāo)，并考慮具體的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件來(lái)確定。目前，國(guó)內(nèi)外所使用的地震編碼通常依據(jù)地震的重現(xiàn)周期或發(fā)生概率來(lái)確定地震設(shè)防水準(zhǔn)［4］。其中《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》均采用3級(jí)抗震設(shè)防水準(zhǔn)，前者以50年為基準(zhǔn)期，后者以100年為基準(zhǔn)期。對(duì)于“建橋合一”結(jié)構(gòu)［5］，本文以上述規(guī)范為基礎(chǔ)，結(jié)合《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》，對(duì)抗震設(shè)防水準(zhǔn)提出建議值，如表1所示。

表1 “建橋合一”結(jié)構(gòu)地震設(shè)防水準(zhǔn)建議值

1.2 抗震性能水準(zhǔn)

抗震性能水準(zhǔn)是當(dāng)具有一定超越概率的地震發(fā)生時(shí)，預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)能承受的最大損傷程度［6］。研究表明：構(gòu)件變形與結(jié)構(gòu)的操作程度密切相關(guān)。結(jié)合文獻(xiàn)［7-8］，對(duì)“建橋合一”結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)的定性描述如表2所示。

表2 “建橋合一”結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)劃分建議表

抗震性能指標(biāo)的確定在很大程度上取決于大量的地震破壞經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)分析［9］。綜合眾多研究成果，本文建議的“建橋合一”結(jié)構(gòu)以層間位移角為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其量化限值如表3所示。

1.3 抗震性能目標(biāo)

由性能水準(zhǔn)和性能目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系［12］，結(jié)合《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》中設(shè)防目標(biāo)分類(lèi)的規(guī)定，提出“建橋合一”結(jié)構(gòu)抗震性能水平矩陣，如表4所示。

表4 “建橋合一”結(jié)構(gòu)抗震性能水平矩陣

2 案例分析

2.1 工程概況

某市地面島式站臺(tái)地鐵車(chē)站采用“建橋合一”結(jié)構(gòu)體系的四柱框架結(jié)構(gòu)。車(chē)站總長(zhǎng)126 m，其結(jié)構(gòu)1層高7.65 m，2層高為1.6 m。

工程的抗震設(shè)防類(lèi)別為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)，設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分為三組，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，特征周期0.45 s，抗震等級(jí)為二級(jí)。該工程由梁、柱、板（用剛性板模擬）3種構(gòu)件單元組成，分別包括358個(gè)節(jié)點(diǎn)、572個(gè)梁?jiǎn)卧?79個(gè)板單元。其框架柱具體配筋如表5所示。

表5 框架柱配筋表

2.2 結(jié)構(gòu)性能分析

結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)際工程考慮，應(yīng)使結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下處于穩(wěn)定。為防止在整體破壞之前產(chǎn)生局部破壞，除對(duì)結(jié)構(gòu)的層間位移角限值進(jìn)行預(yù)設(shè)外，還需要判斷結(jié)構(gòu)梁柱的塑性鉸狀態(tài)，得出結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制和可能發(fā)生破壞的薄弱位置。鉸狀態(tài)對(duì)應(yīng)的性能如表6所示。其中：level 1表示塑性鉸還處于彈性階段；level 2表示塑性鉸已達(dá)到屈服狀態(tài)；其余則表示各構(gòu)件不同的延性：level 3對(duì)應(yīng)立即使用狀態(tài)（Immediate Occupancy），level 4對(duì)應(yīng)生命安全狀態(tài)（Life Safety），level 5對(duì)應(yīng)倒塌狀態(tài)（Collapse Prevention）。

由表6可知，要滿(mǎn)足本文預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)性能水平，在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)塑性鉸發(fā)展?fàn)顟B(tài)應(yīng)不超過(guò)level 3，并選用該等級(jí)作為結(jié)構(gòu)的性能水平標(biāo)準(zhǔn)。

表6 鉸狀態(tài)對(duì)應(yīng)性能

2.2.1 地震動(dòng)選取

按建筑場(chǎng)地類(lèi)別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程，選擇周期相近的地震動(dòng)。

2.2.2 自振特性分析

在“建橋合一”結(jié)構(gòu)模型中，單元類(lèi)型選擇梁-柱，材料選擇混凝土，鉸類(lèi)型都選擇骨架。對(duì)于滯回模型，梁、柱鉸分別選擇克拉夫模型和隨動(dòng)硬化模型。選取峰值加速度P對(duì)自振特性進(jìn)行分析。

（1）當(dāng)P=0.2g時(shí)，構(gòu)件塑性發(fā)展情況如圖1所示?？蚣芰褐咎幱趶椥噪A段，站廳層縱梁和站臺(tái)層角柱極少數(shù)出現(xiàn)塑性鉸。

圖1 Rengong 1波作用下構(gòu)件塑性發(fā)展（P=0.2g）

（2）當(dāng)P=0.4g時(shí)，構(gòu)件塑性發(fā)展情況如圖2所示：大量站廳層柱發(fā)生屈服，站臺(tái)層發(fā)生屈服的角柱量也增加，站廳層兩端的框架縱梁也出現(xiàn)了屈服。

圖2 Rengong 1波作用下構(gòu)件塑性發(fā)展（P=0.4g）

（3）當(dāng)P=0.6g時(shí)，構(gòu)件塑性發(fā)展情況如圖3所示。

（4）當(dāng)P=0.8g時(shí)，構(gòu)件塑性發(fā)展情況如圖4所示。

由圖2～4可以看出，隨著地震動(dòng)的進(jìn)一步加強(qiáng)，構(gòu)件的塑性狀況也隨之加深，但仍集中在站廳層柱體結(jié)構(gòu)處，所有的柱體都發(fā)生屈服。塑性鉸發(fā)展?fàn)顟B(tài)最大至level 4。其中：柱鉸基本都是level 2和level 3狀態(tài)；梁鉸上出現(xiàn)level 4狀態(tài)，超出預(yù)期設(shè)定的塑性鉸狀態(tài)目標(biāo)。

圖3 Rengong 1波作用下構(gòu)件塑性發(fā)展（P=0.6g）

圖4 Rengong 1波作用下構(gòu)件塑性發(fā)展（P=0.8g）

2.2.3 案例總結(jié)

通過(guò)上述對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)展規(guī)律的討論，可得“建橋合一”結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制如下：

（1）建筑結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)為“強(qiáng)柱弱梁”，而“建橋合一”結(jié)構(gòu)則不同，其結(jié)構(gòu)的塑性鉸主要集中在墩柱位置。

（2）與橋梁結(jié)構(gòu)相比，“建橋合一”結(jié)構(gòu)的縱橋向塑性鉸出現(xiàn)在墩柱的上下端，而墩底固結(jié)的多墩柱鋼構(gòu)橋縱橋向塑性鉸僅出現(xiàn)在墩柱的頂部。

（3）“建橋合一”結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)為底層墩柱和站廳層邊跨縱梁。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用多層次設(shè)防的思想來(lái)研究“建橋合一”結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防水準(zhǔn)、抗震性能和性能指標(biāo)，主要研究結(jié)果有：

（1）根據(jù)國(guó)內(nèi)外的規(guī)范和研究成果，提出了“建橋合一”結(jié)構(gòu)的5級(jí)抗震設(shè)防水準(zhǔn)。

（2）結(jié)合現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，給出了“建橋合一”結(jié)構(gòu)性能的5個(gè)等級(jí)，可采用單層構(gòu)件失效狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算和地震災(zāi)害評(píng)估的參考。

（3）“建橋合一”結(jié)構(gòu)中框架柱進(jìn)入塑性階段的比例較高，應(yīng)重點(diǎn)分析框架柱的抗震性能。