基于軌道交通相關(guān)規(guī)范的橫向雙柱高架車站抗震性能研究

姜利華

(中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，200040，上?！胃呒壒こ處?

橫向雙柱高架車站為單跨結(jié)構(gòu)，其抗震冗余度低，易被地震破壞。由于此類車站兼具民用建筑和橋梁的特點，其結(jié)構(gòu)計算需分別滿足軌道交通相關(guān)規(guī)范和民用建筑相關(guān)規(guī)范的相關(guān)要求。此外，這兩類相關(guān)規(guī)范要求的設(shè)計方法也不同：軌道交通相關(guān)規(guī)范要求采用容許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計；民用建筑相關(guān)規(guī)范要求采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，采用分項系數(shù)的設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計。兩套規(guī)范體系的設(shè)計方法和荷載組合完全不同。結(jié)構(gòu)抗震性能分析需分別滿足兩套體系的相關(guān)要求。而國內(nèi)現(xiàn)有的抗震規(guī)范均各自為政，未對高架車站結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計形成系統(tǒng)的指導(dǎo)，給設(shè)計工作帶來較多不便。面對國內(nèi)規(guī)范的現(xiàn)狀，本文以現(xiàn)有軌道交通相關(guān)規(guī)范的抗震要求為基礎(chǔ)，研究適用于橫向雙柱高架車站結(jié)構(gòu)抗震性能研究的分析全過程，以期為同類車站抗震設(shè)計和抗震性能研究提供參考。

1 工程概況

寧波至奉化城際鐵路近期工程線路全長21.59 km，其中地下線長0.84 km，高架線長20.49 km，過渡段長0.31 km(含U型槽段)。全線設(shè)站9座，均為高架車站，其站臺有效長度為118 m。列車采用B型車6節(jié)編組。本文以方橋站為例，進(jìn)行橫向雙柱高架地鐵車站的抗震性能分析。方橋站為高架側(cè)式車站，車站總長度為121.4 m；橫向柱跨為6.9 m；縱向柱跨為12.0 m，共10跨。車站共3層，分別為站廳層、站臺板下層和站臺層。站內(nèi)軌道梁與車站站臺板下層框架剛接，為橋建合一的框架結(jié)構(gòu)形式。站廳層柱截面尺寸均為1.5 m×1.5 m；站臺板下層柱截面尺寸除兩端4根柱為1.5 m×1.5 m外，其余均為1.4 m×1.2 m；基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，樁徑為1.0 m。地上結(jié)構(gòu)、承臺及基礎(chǔ)梁均采用C40混凝土，樁基采用水下C35混凝土。方橋站的典型橫剖面如圖1所示。

尺寸單位：mm

根據(jù)《市政公用設(shè)施抗災(zāi)設(shè)防管理規(guī)定》[1](以下簡稱《規(guī)定》)第二條及第十四條，方橋站屬于GB 50223—2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[2](以下簡稱“《標(biāo)準(zhǔn)》”)中規(guī)定的重點設(shè)防類市政公用設(shè)施，應(yīng)在初步設(shè)計階段組織專家進(jìn)行抗震專項論證。

2 抗震性能分析流程

根據(jù)GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》[3](以下簡稱《城軌抗規(guī)》)第7.2.1項條文說明，鋼筋混凝土構(gòu)件抗震性能驗算應(yīng)按圖2流程進(jìn)行。

圖2 鋼筋混凝土構(gòu)件抗震性能驗算流程圖[3]

3 基于軌道交通相關(guān)規(guī)范的抗震性能分析

3.1 確定場地類別和設(shè)計地震動參數(shù)

根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》《城軌抗規(guī)》及《寧波至奉化城際鐵路工程場地地震安全性評價報告》[4](以下簡稱《安評》)、GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)》[5](以下簡稱《抗規(guī)》)的規(guī)定，選取場地類別和設(shè)計地震動參數(shù)如表1所示。

表1 場地類別和設(shè)計地震動參數(shù)

3.2 墩柱破壞形式判斷

根據(jù)《城軌抗規(guī)》7.2.1條和附錄F.1.1條規(guī)定，按“強(qiáng)剪弱彎”的抗震設(shè)計理念來判斷墩柱的破壞形態(tài)。

3.3 建立整體模型

按《城軌抗規(guī)》6.1.4—6.1.6條要求，模擬樁基礎(chǔ)與地基土相互作用，采用Midas Civil(V880)軟件建立空間三維整體模型，如圖3所示。

圖3 Midas Civil三維整體模型

Midas Civil計算所得的結(jié)構(gòu)前三階振型及周期(T1、T2、T3)如圖4所示。

a)橫橋向(y向)平動振型圖(T1=0.838 2 s)

3.4 按線性反應(yīng)譜法進(jìn)行多遇地震作用分析

根據(jù)《城軌抗規(guī)》3.3.1條，結(jié)構(gòu)抗震性能要求Ⅰ的驗算可采用線性反應(yīng)譜法。

按GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范(2009年版)》[6](以下簡稱《鐵路抗規(guī)》)7.1.4條、GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[7](以下簡稱《地鐵規(guī)范》)10.6.10條及《城軌抗規(guī)》6.2.4條規(guī)定，對地震作用效應(yīng)和其他恒載及活載效應(yīng)進(jìn)行組合，按有車工況和無車工況對車站墩柱和樁基礎(chǔ)進(jìn)行抗震性能分析。

根據(jù)《城軌抗規(guī)》附錄F.1.1條規(guī)定，對多遇地震作用下的車站墩柱抗剪強(qiáng)度進(jìn)行驗算，結(jié)果如表2所示。

表2 地震組合作用下不同工況的墩柱抗剪強(qiáng)度驗算

按《城軌抗規(guī)》7.4.1條規(guī)定，對多遇地震作用下的樁基礎(chǔ)整體抗震性能進(jìn)行驗算，結(jié)果如表3所示。其中，基樁屈服點對應(yīng)的樁頂位移按《城軌抗規(guī)》附錄B.1.4-3條和G.1.2-1條計算。

表3 地震組合工況樁頂位移驗算

根據(jù)TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[8](以下簡稱《鐵路混規(guī)》)3.1.4條和3.3.4條：HRB400級鋼筋最大容許拉、壓應(yīng)力為315 MPa；C40混凝土最大容許主拉應(yīng)力為2.43 MPa，最大容許偏心受壓應(yīng)力為20.25 MPa，最大容許中心受壓應(yīng)力為16.2 MPa；C35混凝土最大容許主拉應(yīng)力為2.25 MPa，最大容許偏心受壓應(yīng)力為17.7 MPa，最大容許中心受壓應(yīng)力為14.1 MPa。

按《鐵路抗規(guī)》7.1.2條規(guī)定，對多遇地震作用下的墩身及基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗算。

在地震組合作用下，有車工況和無車工況的車站墩柱抗震性能要求 Ⅰ 驗算結(jié)果見表4和表5。

表4 地震組合作用下有車工況的墩柱性能要求Ⅰ驗算結(jié)果

表5 地震組合作用下無車工況墩柱性能要求Ⅰ驗算結(jié)果

有車和無車地震組合工況下車站樁基抗震性能要求Ⅰ驗算結(jié)果如表6和表7所示。

表6 有車地震組合工況樁基性能要求Ⅰ驗算結(jié)果

從表4—表7可看出，在多遇地震作用下，墩柱與樁基的混凝土及鋼筋均處于彈性工作狀態(tài)，可保證列車的行車安全。

表7 無車地震組合工況樁基性能要求Ⅰ驗算結(jié)果

3.5 罕遇地震作用分析

根據(jù)《抗規(guī)》3.4.4條第2款的要求，結(jié)構(gòu)薄弱層應(yīng)按《抗規(guī)》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行彈塑性變形分析。現(xiàn)采用彈塑性動力時程分析方法對方橋站結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析。按《抗規(guī)》表5.1.2-2和3.10.3條文說明，方橋站時程分析所用地震加速度時程的最大值取3.08 m/s2。地震波時程曲線選用與多遇地震時程分析對應(yīng)的3條地震波(50年超越概率為2%，如圖5所示)，按三向輸入進(jìn)行計算，三向加速度最大值比例按1.00∶0.85∶0.65。

a)1#地震波

采用上述3條地震波分別以x向及y向地震作用為主方向進(jìn)行彈塑性動力時程分析，求得各地震波作用下的墩柱最大響應(yīng)位移如表8和表9所示，樁基礎(chǔ)承臺質(zhì)心處位移如表10所示。

表8 x向罕遇地震作用下的墩柱最大響應(yīng)位移

表9 y向罕遇地震作用下墩柱最大響應(yīng)位移

表10 罕遇地震作用下的樁基礎(chǔ)承臺質(zhì)心處位移

根據(jù)《抗規(guī)》表5.5.1和表5.5.5，由表8、9可知，各樓層層間位移角θ滿足1/550<θ<1/50。這表明，在罕遇地震作用下，墩柱已經(jīng)進(jìn)入塑性受力狀態(tài)，但未發(fā)生倒塌破壞，結(jié)構(gòu)抗震性能滿足《城軌抗規(guī)》3.2.1條規(guī)定的性能要求Ⅲ。

由表10可知，在罕遇地震作用下，樁基仍處于彈性工作狀態(tài)，滿足《地鐵規(guī)范》10.6.10條關(guān)于基礎(chǔ)應(yīng)按能力保護(hù)原則設(shè)計的要求。

根據(jù)《鐵路抗規(guī)》7.3.3條，鋼筋混凝土墩柱在罕遇地震作用下，其非線性位移延性比應(yīng)小于4.8。本文彈塑性分析墩柱采用骨架分布鉸，其滯回模型采用程序自帶的武田三折線模型：初始剛度為K0；構(gòu)件開裂表征第一屈服(對應(yīng)位移D1為常量)，剛度降為K1;鋼筋屈服表征第二屈服(對應(yīng)位移D2為常量)，剛度下降為K2。

在3條x向為主方向的地震波作用下，計算所得的各軸墩柱x向及y向延性發(fā)展系數(shù)(不同屈服階段分別為D/D1、D/D2，其中D表示實際位移響應(yīng))，最大值如圖6及圖7所示。

圖6 x向地震波作用下墩柱D/D1的最大值

圖7 x向地震波作用下墩柱D/D2的最大值

3條y向為主方向的地震波作用下計算所得的各軸墩柱x向及y向延性發(fā)展系數(shù)最大值如圖8及圖9所示。

圖8 y向地震波作用下墩柱D/D1最大值

由圖6—圖9可知，在3條地震波作用下墩柱x向均出現(xiàn)了D1鉸(混凝土開裂時形成的塑性轉(zhuǎn)動鉸)和D2鉸(構(gòu)件鋼筋屈服時形成的塑性轉(zhuǎn)動鉸)，y向均出現(xiàn)D1鉸。其中：在3#地震波作用下y向出現(xiàn)了D2鉸；在1#、2#地震波作用下，y向未出現(xiàn)D2鉸。這表明墩柱在罕遇地震作用下，受拉側(cè)混凝土均已開裂，同時部分鋼筋已屈服，進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)。由上述計算結(jié)果可知，D/D2均小于4.8，滿足《鐵路抗規(guī)》7.3.3條的延性需求。

圖9 y向地震波作用下的墩柱D/D2最大值

4 結(jié)語

本文根據(jù)軌道交通相關(guān)規(guī)范要求，對“橋建合一”的橫向雙柱高架三層城市軌道交通車站抗震性能進(jìn)行了詳細(xì)的抗震分析，得出以下結(jié)論：

1)在7度抗震設(shè)防區(qū)采用橫向單跨的高架側(cè)式車站，其抗震性能可滿足軌道交通相關(guān)規(guī)范要求。

2)橫向雙柱高架車站的一、二層結(jié)構(gòu)橫向剛度較縱向剛度小，其抗震較為不利。設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)加大柱橫向截面尺寸，使縱橫向剛度趨于相近。本工程設(shè)計時未根據(jù)計算加大柱截面橫向尺寸。