青島軌道交通獨(dú)柱高架車站抗震設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

高 杰

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

高架車站是城市軌道交通工程建設(shè)中的重要結(jié)構(gòu)型式之一[1]，因經(jīng)濟(jì)效益高、乘客觀感好、救援條件優(yōu)良等突出優(yōu)點(diǎn)，在城市中心以外地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。受既有道路規(guī)劃限制，部分高架車站采用獨(dú)柱式帶長懸臂的“橋-建”組合結(jié)構(gòu)體系[2]，可充分利用既有道路路中綠化帶，占地面積較小，對現(xiàn)狀道路基本無影響，對道路渠化要求低。但此形式質(zhì)量重心高，剛度分布不規(guī)則[3]，結(jié)構(gòu)安全贅余度少，抗震性能較差，設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行嚴(yán)格的抗震性能化分析。

1 車站概況

雙珠路站為青島地鐵13號線高架車站，位于雙珠路與大珠山中路交叉路口南側(cè)，沿大珠山中路南北向布置。雙珠路規(guī)劃紅線寬40 m，大珠山中路規(guī)劃紅線寬36 m。本站為路中高架側(cè)式站，為避免對大珠山中路現(xiàn)狀道路進(jìn)行大規(guī)模改造，采用“橋-建”組合結(jié)構(gòu)體系獨(dú)柱框架結(jié)構(gòu)，車站總長85 m，寬23.4 m，地上3層，一層層高9 m，二層層高5.05 m，三層層高1.6 m。結(jié)構(gòu)形式縱向?yàn)?柱7跨，跨度12 m，橫向兩側(cè)懸挑長度均為11.7 m，如圖1所示。

圖1 車站剖面(單位：mm)

2 工程水文地質(zhì)條件

通過鉆探揭示，場區(qū)第四系厚0.80～21.40 m，主要由全新統(tǒng)人工填土、洪沖積層、海相沼澤化層、上更新統(tǒng)洪沖積層組成。共揭示14個標(biāo)準(zhǔn)層及12個亞層，自上而下分別為：素填土、粉土、粉砂、粗砂、含有機(jī)質(zhì)粗砂、含有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、含黏性土粗砂、粗礫砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)中細(xì)砂等。場區(qū)內(nèi)基巖以粗?；◢弾r為主，煌斑巖、花崗斑巖呈脈狀穿插其間，部分鉆孔中揭露砂土狀及塊狀碎裂巖。

場區(qū)地下水按賦存介質(zhì)及埋藏條件的差異，可劃分為兩大類：第四系孔隙水、基巖裂隙水。第四系孔隙水主要賦存于陸相侵蝕堆積緩坡、河流階地地貌單元及剝蝕堆積緩坡中，以潛水為主，局部存在弱承壓性，地下水位埋深1.60～6.50 m?；鶐r裂隙水主要分為風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水，風(fēng)化裂隙水主要賦存于基巖全風(fēng)化～中等風(fēng)化帶中，一般含水層厚度小于3 m，局部受斷裂構(gòu)造影響含水層厚度可達(dá)10 m左右，地下水位隨地形的升高而增大；構(gòu)造裂隙水主要賦存于斷裂帶兩側(cè)的構(gòu)造影響帶、花崗斑巖、煌斑巖等后期侵入的脈狀巖脈擠壓裂隙密集帶中，具有一定的承壓性。地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性、混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具有弱腐蝕性。

根據(jù)地震安全性評價(jià)報(bào)告，雙珠路站 (設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年)地震動峰值加速度為0.05g，數(shù)值較小，反應(yīng)譜較寬。依據(jù)GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》本站點(diǎn)設(shè)防地震動峰值加速度為85 cm/s2<0.09g=88.2 cm/s2，屬于0.05g，6度區(qū)，地震動參數(shù)(設(shè)計(jì)地震加速度峰值A(chǔ)max、設(shè)計(jì)譜放大倍數(shù)最大值βm、設(shè)計(jì)譜拐點(diǎn)周期T0和Tg、衰減系數(shù)C)詳見表1。

表1 雙珠路站地震動參數(shù)

由地震影響系數(shù)峰值αmax=Amax×βm/g，則多遇地震作用(重現(xiàn)期100年)對應(yīng)地震安全性評價(jià)報(bào)告中100年超越概率63%，計(jì)算得水平地震影響系數(shù)最大值0.11，特征周期0.45 s。

設(shè)防地震作用(重現(xiàn)期475年)對應(yīng)地震安全性評價(jià)報(bào)告中50年超越概率10%，計(jì)算得水平地震影響系數(shù)最大值0.23，特征周期0.45 s。

罕遇地震作用(重現(xiàn)期2450年)對應(yīng)地震安全性評價(jià)報(bào)告中50年超越概率2%，計(jì)算得水平地震影響系數(shù)最大值0.45，特征周期0.60 s。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及設(shè)防目標(biāo)

3.1 車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

獨(dú)柱車站底層為站廳層，設(shè)置單層長懸臂梁，站廳層內(nèi)設(shè)置3排框架柱，使結(jié)構(gòu)豎向剛度和側(cè)向剛度更大[4]，有利于控制軌道層豎向位移和結(jié)構(gòu)的橫向變形。由于青島地區(qū)特有的巖地質(zhì)特點(diǎn)，對高架車站基礎(chǔ)十分有利，車站基本不會出現(xiàn)不均勻沉降，使用剛接軌道梁施工速度快、結(jié)構(gòu)整體性能好、減小車站高度且節(jié)省造價(jià)。車站基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，兩端區(qū)間均設(shè)置雙U形梁，與車站相接處增大邊跨橫梁截面高度并設(shè)置牛腿支撐，如圖2所示。

3.2 設(shè)防目標(biāo)

抗震設(shè)防目標(biāo)依照《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]。車站采用獨(dú)柱式帶長懸臂“橋-建”組合體系，結(jié)構(gòu)底部相對較為薄弱，無法形成多道抗震防線；長懸臂結(jié)構(gòu)懸挑長度為11.7 m，受豎向地震作用影響較大；底部結(jié)構(gòu)為框支層，均不利于結(jié)構(gòu)抗震[6]。

圖2 車站結(jié)構(gòu)形式

本站除全部構(gòu)件需滿足多遇地震彈性的基本設(shè)防目標(biāo)外，底層柱及懸臂梁應(yīng)滿足中震彈性[7]，位移角<1/550 rad；大震鋼筋不屈服，位移角<1/50 rad。具體研究步驟如下。

(1)結(jié)構(gòu)在多遇地震和設(shè)防地震作用下的彈性性能分析。采用振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，達(dá)到多遇地震結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)、設(shè)防地震結(jié)構(gòu)底層獨(dú)柱處于彈性狀態(tài)的設(shè)防目標(biāo)[8]。

(2)在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析。對罕遇地震作用時獨(dú)柱在3條地震波作用下的反應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行研究，達(dá)到罕遇地震作用下底層獨(dú)柱鋼筋不屈服的預(yù)定目標(biāo)[9]，以此作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。

(3)采用重現(xiàn)期大于2450年的地震參數(shù)對底層獨(dú)柱進(jìn)行延性分析。依照《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算方法，將非線性響應(yīng)最大位移與屈服位移(截面最外側(cè)鋼筋開始屈服時)間比值作為量化指標(biāo)。

本站建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震等級為二級?？拐鹩?jì)算采用PKPM、MIDAS-GEN及MIDAS-CIVIL軟件。針對車站特點(diǎn)，橋梁類構(gòu)件采用PKPM及CIVIL兩種軟件進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，包括底層獨(dú)柱、長懸臂蓋梁，站廳層框架柱、軌道梁及支撐軌道梁的橫梁；建筑類構(gòu)件采用PKPM軟件。

3.3 材料選用

車站樁基采用水下C40混凝土；承臺及拉梁采用C40混凝土；地面以下結(jié)構(gòu)采用C45混凝土，抗?jié)B等級P8；主體結(jié)構(gòu)梁、板、柱采用C45混凝土(獨(dú)柱及懸臂梁為C50)。

長懸臂蓋梁采用普通鋼筋+預(yù)應(yīng)力鋼絞線的部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)形式[10]，普通鋼筋選用HRB400，鋼絞線選用高強(qiáng)度低松弛的1×7標(biāo)準(zhǔn)型φs15.2 mm。

3.4 主要荷載選擇及組合[11]

(1)恒載：含鋼筋混凝土構(gòu)件自重、鋼材自重、附屬設(shè)施自重、建筑裝修面層、承軌臺及軌道、其他管線及吊頂荷載、混凝土收縮和徐變影響、基礎(chǔ)變位影響。

(2)活載：列車豎向靜活載(B型車4輛編組)、列車豎向動力作用、列車橫向搖擺力、無縫線路縱向伸縮力、站廳、樓梯、站臺、人行天橋、廁所、盥洗室、風(fēng)荷載、溫度作用、不上人屋面荷載及設(shè)備荷載。

(3)附加力：列車制動力或牽引力、溫度荷載。

(4)特殊荷載：無縫線路斷軌力、汽車撞墩力、施工臨時荷載及區(qū)間預(yù)制梁架設(shè)過站荷載。

(5)荷載組合：按鐵路橋涵相關(guān)規(guī)范計(jì)算與列車活載相關(guān)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，按民用建筑相關(guān)規(guī)范計(jì)算與列車活載無關(guān)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并檢算主體結(jié)構(gòu)。具體構(gòu)件設(shè)計(jì)依據(jù)見表2。

表2 構(gòu)件設(shè)計(jì)依據(jù)規(guī)范統(tǒng)計(jì)

4 抗震性能化設(shè)計(jì)分析

4.1 彈性分析

本站采用獨(dú)柱式帶長懸臂“橋-建”組合結(jié)構(gòu)體系，屬于特別不規(guī)則建筑，依照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的同時用彈性時程分析法補(bǔ)充計(jì)算[12]，采用MIDAS-GEN軟件。

4.1.1 振型分解反應(yīng)譜法分析

采用振型分解反應(yīng)譜法分別對多遇地震工況下的周期比、層間彈性位移角、位移比和剪重比進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果

由表3可見：振型分解反應(yīng)譜法周期比計(jì)算結(jié)果<0.9，框架結(jié)構(gòu)最大層間彈性位移角<1/550，剪重比>0.69%，位移比<1.4，均滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)要求。

設(shè)防地震工況下底層獨(dú)柱和懸臂梁的分析計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可見，底層獨(dú)柱軸壓比<0.6，剪壓比<0.235；懸臂梁剪壓比<0.235，均滿足規(guī)范有關(guān)要求。

表4 設(shè)防地震工況下底層柱和懸臂梁計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)剛度限制如下。

懸臂端撓度驗(yàn)算：獨(dú)柱式帶長懸臂“橋-建”組合結(jié)構(gòu)體系在恒載、列車活載、人群荷載及風(fēng)荷載最不利組合下，懸臂端撓度最大值為27.1 mm，滿足規(guī)范要求L0/600=(2×11 700)/600=39 mm。

4.1.2 彈性時程分析法分析

彈性時程分析法計(jì)算選波為：1952，Taft Lincoln School， 339 Deg (天然波) ；1971， San Fernando， 159 Deg(天然波)；青島人工波，三向輸入地震波，三向加速度最大值比例按1：0.85：0.65[13]，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 彈性時程分析法各層剪力值 kN

由表5可知，底層和第二層的X向及Y向剪力值各時程曲線均小于振型分解反應(yīng)譜法(CQC)組合；第三層Y向最大剪力值出現(xiàn)在Taft Lincoln波工況下，為CQC組合值的1.06倍?？紤]第三層為站臺層，無設(shè)備用房，結(jié)構(gòu)重要性相對較低。計(jì)算取時程分析法和振型分解法的包絡(luò)值，地震作用放大系數(shù)取1.0[14]。

設(shè)防地震工況下，底層柱位移角分別達(dá)到X方向1/662，Y方向1/777，均小于1/550，滿足中震彈性要求及抗震性能化設(shè)計(jì)要求，設(shè)防地震工況下性能完好[15]。

4.2 彈塑性分析

根據(jù)地震安全性評價(jià)報(bào)告，罕遇地震(E3地震作用下，重現(xiàn)期為2450年)水平地震影響系數(shù)最大值0.45， 特征周期0.55 s，時程加速度曲線如圖3～圖5所示，采用MIDAS-GEN軟件計(jì)算。

圖3 人工波時程曲線

圖4 1940， El Centro Site， 180 Deg天然波時程曲線

圖5 1952， Hollywood Storage P.E.， 270 Deg天然波時程曲線

罕遇地震工況下采用彈塑性時程分析方法計(jì)算，底層獨(dú)柱采用彈塑性纖維單元模型，其余構(gòu)件為梁、板單元，邊界條件為雙側(cè)水平彈簧和阻尼器形式模擬結(jié)構(gòu)-樁基礎(chǔ)-地震整體動力效應(yīng)[16]。模型如圖6所示。在罕遇地震波作用下，分析鋼筋時程應(yīng)力變化，調(diào)整構(gòu)件配筋至鋼筋不進(jìn)入屈服狀態(tài)。主要計(jì)算結(jié)果見表6。

圖6 高架車站計(jì)算模型

表6 罕遇地震工況下底層柱剪力計(jì)算結(jié)果 kN

垂直線路方向?yàn)榭拐鸬牟焕较颍云渲斘灰谱鳛槎攘繀⒖?，在各地震波作用下，柱頂垂直線路方向的位移時程曲線如圖7～圖9所示。

圖7 人工波作用下柱頂位移時程曲線

圖8 El Centro Site波作用下柱頂位移時程曲線

圖9 Hollywood Storage P.E.波作用下柱頂位移時程曲線

非線性響應(yīng)最大位移與屈服位移計(jì)算結(jié)果詳見表7。

表7 延性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對獨(dú)柱進(jìn)行延性分析，量化指標(biāo)采用非線性響應(yīng)最大位移與屈服位移(截面最外側(cè)鋼筋開始屈服時)間的比值，公式為

(1)

延性系數(shù)計(jì)算均能滿足《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)要求[17]。罕遇地震工況下，底層獨(dú)柱進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)。垂直線路方向上，人工波層間位移角最大值為1/346，Elcent波層間位移角最大值為1/333，Hollywood波層間位移角最大值為1/290，底層位移角計(jì)算結(jié)果均能滿足規(guī)范位移角限值1/50要求。

5 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

車站站址處地質(zhì)情況較好，表層覆蓋約4 m厚素填土和粉土，下部依次為6～7 m強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層、夾薄層中風(fēng)化花崗巖，下部為微風(fēng)化花崗巖。由于車站采用獨(dú)柱式結(jié)構(gòu)，柱底軸力和彎矩均較大，應(yīng)對基礎(chǔ)底部拉應(yīng)力范圍嚴(yán)格控制。設(shè)計(jì)目標(biāo)為在設(shè)防地震工況下，基底不產(chǎn)生拉應(yīng)力[20]。

根據(jù)車站結(jié)構(gòu)形式及地質(zhì)情況，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，按嵌巖樁設(shè)計(jì)，樁端持力層為微風(fēng)化花崗巖。邊柱采用6樁承臺(樁間距X向5.5m；Y向5.0 m)，中間柱采用4樁承臺(樁間距X向5.5 m；Y向5.5 m)，承臺高度為1 800 mm，樁徑1 000 mm。

樁基承載能力計(jì)算按照TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行。由作用在承臺頂結(jié)構(gòu)柱傳來的彎矩、豎向力和承臺及其上土體自重，經(jīng)計(jì)算可得樁的最大和最小樁頂作用效應(yīng)詳見表8，設(shè)防地震工況下基樁均不產(chǎn)生拉應(yīng)力。

表8 樁頂作用效應(yīng)

6 結(jié)論和建議

采用有限元軟件對獨(dú)柱長懸臂高架車站進(jìn)行整體建模計(jì)算，考慮水平向地震和豎向地震作用，分別進(jìn)行多遇地震和設(shè)防地震作用下的振型分解反應(yīng)譜法分析和彈性時程分析，以及罕遇地震作用下的非線性彈塑性時程分析。深入研究了獨(dú)柱高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和抗震性能[21]，確定合理的結(jié)構(gòu)設(shè)防目標(biāo)和安全儲備，得到以下結(jié)論。

(1)底層獨(dú)柱、懸臂梁和基礎(chǔ)是抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，確定適合本站的構(gòu)件抗震設(shè)防目標(biāo)，主要包括：底層獨(dú)柱、懸臂梁按設(shè)防地震工況彈性設(shè)計(jì)；底層獨(dú)柱按罕遇地震工況下鋼筋不進(jìn)入屈服狀態(tài)；基礎(chǔ)在設(shè)防地震工況下不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)。

(2)橫向單柱或雙柱的高架車站結(jié)構(gòu)按《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)；預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件和抗震性能要求為Ⅰ類時高架車站抗震性能及結(jié)構(gòu)層間位移按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。鐵路和建筑兩類規(guī)范均需滿足，采用包絡(luò)設(shè)計(jì)。

(3)采用抗震性能化設(shè)計(jì)，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)，考慮強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件等基本理念，體現(xiàn)車站不同構(gòu)件在抗震性能設(shè)計(jì)中的重要程度，保證整體結(jié)構(gòu)能發(fā)揮耗散地震能量的作用，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱點(diǎn)過早破壞。

獨(dú)柱高架車站占地面積小，可充分利用既有道路路中綠化帶，降低對現(xiàn)狀道路影響，減小對道路渠化要求，滿足城市軌道交通建設(shè)中對高架車站建設(shè)形式的不同需求。經(jīng)過系統(tǒng)研究形成配套理論和技術(shù)后，可根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)一步推廣獨(dú)柱式高架車站的應(yīng)用范圍，以期達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、合理之目標(biāo)。