軌道交通地下車站結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)分析

王鵬

摘要：在目前城市發(fā)展過(guò)程中，隨著人口數(shù)量不斷增長(zhǎng)，需要更多的城市基礎(chǔ)設(shè)施投入使用，不但要滿足人們的生活需要，同時(shí)也要利用更多的空間，從而使城市交通壓力獲得緩解。在當(dāng)前城市交通建設(shè)過(guò)程中，增加多種軌道交通設(shè)施，不僅要求軌道交通具有穩(wěn)定的運(yùn)輸能力，同時(shí)在使用過(guò)程中，要增加多種安全質(zhì)量保護(hù)措施，使軌道交通能夠具有較高的抗震能力。

關(guān)鍵詞：軌道交通工程;地下車站結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計(jì)

1抗震性能分析方法概述

實(shí)際工程中，主要通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行理論分析。常用的數(shù)值模擬方法可分為以反應(yīng)位移法、反應(yīng)加速度法為代表的擬靜力法，和以反應(yīng)譜方法、時(shí)程分析法為代表的動(dòng)力分析法兩類。反應(yīng)位移法根據(jù)一維土層地震反應(yīng)分析得到土層相對(duì)位移，由土層變形計(jì)算得到內(nèi)力，并以地基彈簧的形式施加靜荷載于結(jié)構(gòu)上，從而獲得結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。反應(yīng)加速法通過(guò)一維土層地震反應(yīng)分析獲得的動(dòng)力響應(yīng)，計(jì)算得到不同深度處水平有效慣性加速度，并將其按體積力的方式作用與結(jié)構(gòu)上，最終得到結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。擬靜力法缺陷在于靜力計(jì)算所得內(nèi)力一般較實(shí)際動(dòng)力值偏大，且對(duì)地震波的等效處理往往難以符合其不規(guī)則動(dòng)態(tài)傳播的實(shí)際情況。反應(yīng)譜方法相對(duì)于擬靜力法增加反映了地震的頻譜特性，但仍無(wú)法考慮地震力持續(xù)作用的影響，其本質(zhì)上屬于一種修正的擬靜力分析方法[1]。

2抗震設(shè)計(jì)論證方法

2.1分析方法比選

隨著我國(guó)城市軌道交通工程施工不斷發(fā)展，在目前地下車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，主要按照該工程客流要求，地質(zhì)環(huán)境條件等多種因素進(jìn)行考慮，并在對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程中，需要按照以下方法進(jìn)行計(jì)算：

（1）地震系數(shù)法;（2）反應(yīng)位移法;（3）反應(yīng)加速度法;（4）時(shí)程分析法。

在上述抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法中，需要設(shè)計(jì)人員充分掌握地下車站承擔(dān)的客流壓力，同時(shí)根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合的考慮，從而使用簡(jiǎn)單快捷的抗震設(shè)計(jì)方法，使抗震設(shè)計(jì)要求更加符合地下車站結(jié)構(gòu)使用標(biāo)準(zhǔn)。

2.2車站反應(yīng)位移法

計(jì)算模型按照城市對(duì)交通工程不同要求，在進(jìn)行地下車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，根據(jù)客流運(yùn)行能力和地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，使用反應(yīng)位移法進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)，先將三種作用力進(jìn)行分析和研究：

（1）結(jié)構(gòu)慣性力;（2）土層相對(duì)位移力;（3）結(jié)構(gòu)周圍剪力。

地下車站結(jié)構(gòu)發(fā)生震動(dòng)過(guò)程中，上述三種作用力的產(chǎn)生會(huì)加速結(jié)構(gòu)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)由于地下空間中地質(zhì)環(huán)境遭到破壞后，使地下車站承受更多的荷載作用[2]。地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要按照土層相對(duì)位移和土層剪力分別的特點(diǎn)，能在豎向位置中減少對(duì)地下車站結(jié)構(gòu)的影響。按照空間中作用力分布位置的不同，結(jié)構(gòu)受到作用力的同時(shí)，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的巨大荷載，從而導(dǎo)致土體變化速度不斷加快，加劇對(duì)地下車站結(jié)構(gòu)的破壞。

2.3二維平面時(shí)程分析法

圍繞不同地下車站結(jié)構(gòu)具有的抗震性能，按照二維平面時(shí)程分析法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，通常將地下車站結(jié)構(gòu)的抗震能力提升到Ⅱ級(jí)，同時(shí)增加多種抗震保護(hù)措施，防止地下土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，能對(duì)地下車站結(jié)構(gòu)起到良好的保護(hù)作用。根據(jù)地震動(dòng)力時(shí)程變化特點(diǎn)，要將地下車站結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的抗震問(wèn)題進(jìn)行綜合的分析，有效減少對(duì)地下車站結(jié)構(gòu)受到進(jìn)一步的破壞。在目前應(yīng)用二維平面時(shí)程分析法過(guò)程中，將地下車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維平面分析，對(duì)震動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力能量計(jì)算在結(jié)構(gòu)邊界中，當(dāng)土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，按照結(jié)構(gòu)具有的彈塑性能，對(duì)地下車站結(jié)構(gòu)外部起到保護(hù)作用。

2.4反應(yīng)位移計(jì)算模型運(yùn)用

采用反應(yīng)位移法進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)橫截面的抗震計(jì)算時(shí)，需考慮結(jié)構(gòu)慣性力、土層相對(duì)位移和結(jié)構(gòu)周圍剪力三種地震作用，結(jié)構(gòu)慣性力根據(jù)地震作用下的加速度直接施加。研究表明，地下結(jié)構(gòu)在地震作用下隨周圍土體一起振動(dòng)，加速度、位移等結(jié)構(gòu)反應(yīng)與周圍土體基本一致。所以土層相對(duì)位移和土層剪力的豎向分布，可以不考慮車站結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)地層的一維波動(dòng)模型計(jì)算[3]。一維波動(dòng)模型計(jì)算中，所需場(chǎng)地土的靜、動(dòng)性能參數(shù)有土層波速、土的重度、動(dòng)剪切模量及阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系曲線、基巖處地震加速度時(shí)程，參數(shù)按工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告取值。

在進(jìn)行軌道交通工程地下車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程中通常將整體軌道交通工程地下車站結(jié)構(gòu)橫向震動(dòng)變形數(shù)據(jù)作為核心參考資料，并按照軌道交通工程地下車站結(jié)構(gòu)周邊的土壤作為結(jié)構(gòu)的整體支護(hù)地基由于軌道交通工程地下車站結(jié)構(gòu)具有多樣化特點(diǎn)，因此在構(gòu)建模型的過(guò)程中通常會(huì)將三維立體模型轉(zhuǎn)變?yōu)槎S平面進(jìn)行分析。

3結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)

3.1小震作用下彈性計(jì)算

對(duì)于高架車站結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)既不是典型的橋類、也不是典型的建筑結(jié)構(gòu)類，彈性設(shè)計(jì)必須綜合橋與建筑結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算方法，同時(shí)綜合性的選擇兩種規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用偏于橋梁軟件CIVIL和偏于建筑結(jié)構(gòu)軟件SATWE進(jìn)行對(duì)比分析。有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%，計(jì)算振型數(shù)足夠;結(jié)構(gòu)周期比、層間位移角，最大位移比及縱橫橋向位移均滿足規(guī)范限制的要求。表明計(jì)算結(jié)果合理可信，可以作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.2罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性驗(yàn)算及動(dòng)力彈塑性驗(yàn)算

高架車站結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的驗(yàn)算常為彈塑性位移角的驗(yàn)算，未能真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的各種響應(yīng)、結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的先后次序、結(jié)構(gòu)整體進(jìn)入塑性的程度以及結(jié)構(gòu)的薄弱部位和薄弱構(gòu)件[1]。當(dāng)按大震不屈服進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性設(shè)計(jì)時(shí)，其材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮剪重比、薄弱層、0.2V0調(diào)整等地震力調(diào)整，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)，不考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)。采用YJK編制的PushoverAnalysis進(jìn)行大震下靜力彈塑性分析，采用中國(guó)建筑科學(xué)院編制的PKPM-SAUSAGE軟件進(jìn)行大震下動(dòng)力彈塑性分析。通過(guò)結(jié)構(gòu)在大震作用下的彈塑性分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能分析可知：

3.2.1罕遇地震作用下靜力彈塑性分析時(shí)，由計(jì)算結(jié)果可知罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力與多遇地震基底剪力的比值約為4.9倍，地震作用量級(jí)合理;由能力曲線圖可知譜曲線與需求譜曲線交于能力譜的直線部位表明結(jié)構(gòu)抗震性能良好。

3.2.2罕遇地震作用下靜力彈塑性分析時(shí)，需求點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加載步下各層的X向?qū)娱g位移角和Y向?qū)娱g位移角均小于1/50，滿足規(guī)范限值要求。

3.2.3罕遇地震作用下動(dòng)力彈塑性分析時(shí)，結(jié)構(gòu)基底剪力為多遇地震基底剪力的2.5～5倍之間，地震作用量級(jí)合理;各工況動(dòng)力彈塑性位移角均滿足規(guī)范罕遇地震下層間位移角1/50的限值要求。

3.2.4根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷云圖得知，墩柱底輕微損壞已進(jìn)入塑性階段，框架結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件（關(guān)鍵構(gòu)件）大部分輕微損壞，局部輕度損壞，轉(zhuǎn)換構(gòu)件 （關(guān)鍵構(gòu)件）大部分均為輕微損壞，框架梁（耗能構(gòu)件）基本為輕度損壞，基本滿足性能目標(biāo)的要求[2]。但局部轉(zhuǎn)換梁（邊梁）由于承受區(qū)間橋梁荷載較大重度損傷，應(yīng)對(duì)其局部不滿足構(gòu)件通過(guò)調(diào)整截面或配筋，直至滿足要求。

結(jié)束語(yǔ)：未來(lái)在促進(jìn)城市軌道交通事業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，為保持高架車站良好的應(yīng)用狀況及效果，需要給予其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更多的關(guān)注，且在有效的設(shè)計(jì)措施支持下，完善這類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提升其在城市軌道交通高架車站方面的潛在應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張朋來(lái)，王志虹，劉琳.關(guān)于軌道交通地下車站結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)的探討[J].山西建筑，2017（28）：45～47.

[2]胡海迪.地鐵地下車站結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計(jì)[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016（34）：722.

[3]張有桔，王飛，沈洪波.軌道交通工程地下車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[JI.工程與建設(shè)，2016（3）：361～364.