城市軌道交通高架車站抗震設(shè)計思考

何 瑩

海南元正建筑設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司第三設(shè)計事務(wù)所 海南 三亞 572000

1 引言

隨著我國各地區(qū)城市化的持續(xù)發(fā)展，由于人群聚集效應(yīng)，城市交通堵塞、環(huán)境惡化、房屋居住品質(zhì)下降。為方便市民出行，軌道交通的建設(shè)是全球解決以上問題的相同選擇，需求也隨之大幅增加。國家發(fā)改委《城市群軌道交通體系及政策研究》、《鐵路可持續(xù)發(fā)展研究》指出要構(gòu)建多層次、多模式、多制式的城市軌道交通系統(tǒng)，推動軌道交通的可持續(xù)發(fā)展[1]。

2 城市軌道交通分類及特點

軌道交通是指運(yùn)營車輛在特定軌道上行駛的一類交通工具或運(yùn)輸系統(tǒng)。城市軌道交通按建設(shè)方式分類為：城市地下軌道交通、城市地面軌道交通和城市高架軌道交通。地下軌道交通如地鐵（圖1）受限于自然環(huán)境不同、地質(zhì)條件不一、環(huán)境敏感等因素，修建要求較高,每公里線路綜合造價在7-10億元[1]；城市軌道交通高架線路以站場高架的方式釋放了大面積地面空間，增加了城市土地利用率，減小了對城市空間的割裂，方便站點兩側(cè)的聯(lián)系，可有效避免地下水位較高、地質(zhì)條件不一等工程限制，在工程投資、運(yùn)營費(fèi)用、建設(shè)工期等方面具有優(yōu)勢，約為地下軌道交通建設(shè)造價的1/5-1/3，在國內(nèi)外的城市軌道交通中，尤其是在城郊區(qū)域的線路中被廣泛采用，根據(jù)《中國城市軌道交通年鑒（2020）》[2]，已有多個城市修建高架軌道交通，是城市軌道交通建設(shè)未來發(fā)展的方向。

圖1 地下軌道交通--地鐵

圖2 城市高架軌道交通

3 高架軌道交通發(fā)展及分類

1888年，世界上第一座單軌線路誕生于愛爾蘭。隨后美國、俄羅斯、日本、分別修建西雅圖單軌、莫斯科單軌、2K540區(qū)域。我國第一條高架軌道線為2000年修建的上海明珠線。

圖3 西雅圖單軌

圖4 莫斯科單軌

高架車站根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)與站房結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式分為“橋-建合一式”和“橋-建分離式”?！皹?建分離式”相比“橋-建合一式”，結(jié)構(gòu)構(gòu)件和基礎(chǔ)工程量大，空間利用率低，目前已較少使用。“橋-建合一式”高架車站突破“列車荷載必須由橋涵結(jié)構(gòu)承受”的傳統(tǒng)理念，完全用建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件代替橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件來直接承受列車荷載作用[3]?！皹?建合一式”高架車站按結(jié)構(gòu)形式可以分為單墩柱、雙墩柱和框架三類如下圖7。

圖5 2K540區(qū)域

圖6 上海明珠線

圖7 橋建合一式高架車站類型

4 “橋-建合一式”高架車站抗震設(shè)計方法

“橋-建合一式”高架車站結(jié)構(gòu)由車站統(tǒng)一承擔(dān)列車荷載和建筑荷載，具有建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)雙重屬性，主要差異在橋梁與建筑部分剛度，在城市軌道交通中屬于新型結(jié)構(gòu)。設(shè)計可參照的規(guī)范包括：《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011）（以下簡稱《抗規(guī)》）[4]、《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50111）（以下簡稱《鐵規(guī)》）[5]、《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50909-2014）（以下簡稱《城規(guī)》）[6]。其中《城規(guī)》規(guī)定對直接承受列車荷載的結(jié)構(gòu)，采用《鐵規(guī)》；對不承受車輛荷載的結(jié)構(gòu)采用《抗規(guī)》?，F(xiàn)有的設(shè)計原則一般是依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行車站設(shè)計，針對承受列車荷載的構(gòu)件，依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行補(bǔ)充驗算。然而，橋梁與建筑結(jié)構(gòu)在規(guī)范設(shè)計方法上存在較大差異如下表1。在日本2011年東北大地震和2016年熊本大地震中都出現(xiàn)高架橋橋墩破壞情況，表明現(xiàn)行設(shè)計方法存在不足。與高架車站研究相關(guān)的論文同樣表明按一種規(guī)范設(shè)計存在不足。鮑艷玲研究結(jié)果表明高架車站需同時滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的要求[7]；周宏慧通過對上海市軌道交通11號線分析，建議為提高結(jié)構(gòu)安全儲備，設(shè)計時應(yīng)滿足《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》《地鐵設(shè)計規(guī)范》《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[8]；胡時猛對重慶市獅子坪車站分析，認(rèn)為“橋建合一式”高架車站應(yīng)分別按《鐵路橋涵規(guī)范》與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行計算，取其中較大值進(jìn)行設(shè)計[9]；劉波對重慶軌道3號線分析表明，按現(xiàn)行《鐵路抗震設(shè)計規(guī)范》中的單墩力學(xué)簡化模型計算存在不足，應(yīng)考慮偶然偏心影響并進(jìn)行抗扭驗算[10]。

表1 高架車站抗震設(shè)計方法規(guī)范對比

依據(jù)現(xiàn)有高架車站設(shè)計規(guī)范，同時參考文獻(xiàn)研究結(jié)果，對“橋建合一式”高架車站設(shè)計提出如下設(shè)計方案（詳圖8）。采用基于性能的設(shè)計方法，依據(jù)《抗規(guī)》和《鐵規(guī)》進(jìn)行單獨設(shè)計計算，配筋取大值。然后通過靜力彈塑性分析確定是否滿足既定的性能目標(biāo)，具體設(shè)計思路如下：

圖8 “橋-建合一式”高架車站抗震設(shè)計方法

（1）對比分析規(guī)范關(guān)于性能目標(biāo)或性能水準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合高架車站工程特征，確定合理的性能目標(biāo)；

（2）對比分析《鐵規(guī)》、《城規(guī)》和《抗規(guī)》關(guān)于設(shè)防水準(zhǔn)相關(guān)條文，確定合理的地震動參數(shù)；

（3）對比分析各本規(guī)范關(guān)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能指標(biāo)的選用，確定其內(nèi)在力學(xué)聯(lián)系，結(jié)合新型軌道交通高架車站結(jié)構(gòu)的工程特征及國內(nèi)外軌道交通橋梁的抗震性能研究成果，確定適用于此類結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)參數(shù)；

（4）依據(jù)《抗規(guī)》和《鐵規(guī)》進(jìn)行獨立計算，驗算指標(biāo)是否滿足各自規(guī)范要求，若滿足，配筋取大值；

（5）基于靜力彈塑性分析（Pushover分析），驗算是否滿足性能指標(biāo)。

5 “橋-建合一式”高架車站抗震設(shè)計需進(jìn)一步研究問題

地鐵車站屬于抗震設(shè)防類別為乙類的重要公共建筑。《抗規(guī)》中6.1.5條規(guī)定，甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)[11]。對于單墩柱結(jié)構(gòu)、雙墩柱結(jié)構(gòu)高架，其設(shè)計不符合《抗規(guī)》要求。

6 結(jié)語

本文對城市軌道交通高架車站中“橋-建合一式”抗震設(shè)計方法進(jìn)行探討。通過對現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范的分析和文獻(xiàn)研究，提出基于性能的“橋-建合一式”高架車站抗震設(shè)計方案，指出現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范在設(shè)計“橋-建合一式”單墩柱、雙墩柱高架車站的不足。今后需通過試驗或仿真計算進(jìn)一步對“橋-建合一式”單墩柱、雙墩柱高架車站的動力特性、抗震設(shè)計計算等進(jìn)一步研究。