采用裝配式鋼管混凝土柱的地下車站結(jié)構(gòu)抗震性能研究

鄔 歆,許紫剛,莊海洋,李 晟

(1. 南昌鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,江西 南昌 330002; 2. 華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,江西 南昌 330013;3. 南京工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所,江蘇 南京 210009)

0 引言

隨著交通強(qiáng)國(guó)重大戰(zhàn)略的實(shí)施,我國(guó)城市軌道交通的建設(shè)也進(jìn)入飛速發(fā)展階段。截至2022年6月,我國(guó)內(nèi)地累計(jì)有51個(gè)城市投運(yùn)城市軌道交通線路9573.65 km,其中地鐵7529.02 km,居世界首位。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為:地下結(jié)構(gòu)抗震性能要優(yōu)于地面結(jié)構(gòu),這也使得過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),地下結(jié)構(gòu)的抗震安全問題未能引起學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注。然而,地下結(jié)構(gòu)歷史震害表明:地鐵車站和隧道等地下結(jié)構(gòu)在地震作用下也存在破壞的可能,甚至完全塌毀,例如1995 年日本阪神地震中大開地鐵車站的倒塌破壞[1]。目前,關(guān)于地下結(jié)構(gòu)抗震研究工作多集中于傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),并且在相關(guān)理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方面取得了系列進(jìn)展[2-3]。

為克服傳統(tǒng)地下結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆工藝中存在的作業(yè)面狹小、機(jī)械化程度不高、養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)并且施工質(zhì)量難以控制等問題,裝配式建造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。地下結(jié)構(gòu)裝配式建造技術(shù)具有綠色、集約、高效和可持續(xù)發(fā)展等諸多優(yōu)勢(shì),目前該技術(shù)已成功應(yīng)用于長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線和北京地鐵6號(hào)線等工程[4]。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆地下結(jié)構(gòu)抗震研究工作相比,裝配式地下結(jié)構(gòu)抗震研究工作較少。TAO等[5-6]基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)長(zhǎng)春的一例全預(yù)制裝配式地鐵地下車站成環(huán)后力學(xué)性能和整體抗震水平進(jìn)行分析,結(jié)果顯示裝配式車站結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能以及變形性能均符合現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求,并進(jìn)行了相應(yīng)的有限元數(shù)值計(jì)算[7];杜修力等[8]針對(duì)北京地鐵6號(hào)線西延線金安橋站部分區(qū)間采用的整體裝配式車站結(jié)構(gòu)的抗震性能開展了數(shù)值模擬與低周循環(huán)加載試驗(yàn)研究,最終的成果顯示:預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)性能良好,耗能性能明顯降低;任夢(mèng)等[9]建立了現(xiàn)澆車站和預(yù)制車站的三維有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型,認(rèn)為中柱在地震反應(yīng)中最為劇烈,是抗震薄弱構(gòu)件;為保護(hù)地下結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵豎向支撐構(gòu)件,路德春等[3]總結(jié)了地下結(jié)構(gòu)中柱的減震控制手段,包括減震支座、疊層加芯柱和分體柱等[10-12]。

基于已有的研究基礎(chǔ),李晟等[13]曾提出了在地鐵車站中使用可快速裝配的預(yù)制鋼管混凝土中柱的方法,可以有效地保證地下車站結(jié)構(gòu)中柱在強(qiáng)地震中不受嚴(yán)重?fù)p傷,且具有在震后能快速更換的特點(diǎn)。在中柱裝配式地下車站結(jié)構(gòu)的建設(shè)過(guò)程中,預(yù)制快速連接裝置的構(gòu)件尺寸顯著影響著車站體系的造價(jià)及力學(xué)性能。鑒于此,該研究重點(diǎn)關(guān)注中柱與縱梁之間快速連接裝置的尺寸參數(shù)上,系統(tǒng)對(duì)比了五種常見連接裝置壁厚下車站側(cè)向結(jié)構(gòu)位移、混凝土損傷及動(dòng)力時(shí)程等響應(yīng)特性,并對(duì)體系的地震損傷情況進(jìn)行了定量化的分析與研究。

1 工程概況

該研究以某單層雙跨地鐵車站結(jié)構(gòu)為例,車站結(jié)構(gòu)橫斷面尺寸及配筋如圖1所示,結(jié)構(gòu)寬和高分別為17 m及7.17 m。側(cè)墻厚0.7 m,頂?shù)装鍎t為0.8 m和0.85 m。該研究中:單層車站整體為C30混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑,內(nèi)筋型號(hào)為HPB235。該車站中柱采用預(yù)制裝配式的圓形截面形式鋼管混凝土柱,其外徑為600 m,鋼管壁厚為10 mm,沿車站縱向相鄰中柱的軸線間距為3.5 m。預(yù)制的鋼管混凝土柱通過(guò)快速連接裝置與縱梁進(jìn)行鉚接,如圖2所示,該快速連接裝置包括左右兩片半環(huán)形包接頭,其長(zhǎng)寬高分別是1 000、800和500 mm,托板的厚度為40 mm。地震過(guò)程中:鋼管混凝土柱的頂?shù)撞亢桶氕h(huán)形包接頭之間存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系,因此半環(huán)形包接頭壁厚是影響結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵因素之一,該研究討論的壁厚包括10、20、30、40和50 mm,分別命名為工況CFST-10～CFST-50。同時(shí),為了對(duì)比該裝配式鋼管混凝土柱的抗震性能,設(shè)置一個(gè)橫截面直徑為0.6 m的傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱作為對(duì)照組,命名為工況CIP。

圖1 車站結(jié)構(gòu)橫截面尺寸及配筋Fig. 1 Cross sectional size and reinforcement of station structure

圖2 梁柱快速連接裝置Fig. 2 Rapid connection device between beam and column

該地鐵車站頂板埋深4.8 m,地表至基巖土層厚度總計(jì)39.2 m,共包括6個(gè)土層,各個(gè)土層的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層的主要物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Material parameters for soil

2 數(shù)值模型與方法

2.1 有限元分析模型

依據(jù)場(chǎng)地土層的分層情況和車站結(jié)構(gòu)的尺寸,建立如圖3所示的有限元模型。由于該研究?jī)H考慮車站結(jié)構(gòu)的橫向抗震性能,因此在車站縱向只選取了一跨作為研究對(duì)象,即3.5 m。有限元模型中:場(chǎng)地的總厚度取為39.2 m,總寬度取為200 m,滿足場(chǎng)地寬度大于5倍車站寬度的要求,以消除場(chǎng)地截取對(duì)于計(jì)算模型波反射的影響[14]。模型底部固定,左右兩側(cè)面設(shè)置粘彈性人工邊界條件,前后兩側(cè)面約束其出平面的自由度。在采用的單元類型方面,為了同時(shí)保證軟件運(yùn)行過(guò)程中的綜合耗時(shí)與所得結(jié)果的真實(shí)性,土體采用C3D8單元(三維八節(jié)點(diǎn)單元)離散,土單元尺寸介于1～2 m?？紤]到土體在接近車站部位常發(fā)生較為復(fù)雜的土-結(jié)相互作用,因此在其附近予以加密。主體結(jié)構(gòu)采用C3D8R單元(三維八節(jié)點(diǎn)減縮單元)進(jìn)行模擬,網(wǎng)格尺寸0.2 m。鋼筋方面則使用尺寸為0.3 m的T3D2單元(三維桿單元)離散。

圖3 土和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig. 3 Mesh of soil and structure

土體的本構(gòu)模型采用由莊海洋等[15]建立的一個(gè)總應(yīng)力增量形式的軟土記憶型動(dòng)力本構(gòu)模型,目前該本構(gòu)模型已經(jīng)過(guò)二次編譯實(shí)現(xiàn)了與ABAQUS 的對(duì)接,且可靠性已通過(guò)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目項(xiàng)目;混凝土材料的本構(gòu)模型采用由LEE等[16]在LUBLINER等[17]提出的混凝土塑性損傷模型的基礎(chǔ)之上,進(jìn)一步完善得到的循環(huán)動(dòng)荷載作用下的混凝土動(dòng)力黏塑性損傷模型。該本構(gòu)模型是基于混凝土材料的斷裂能原理,采用兩個(gè)損傷變量分別來(lái)描述混凝土材料受拉和受壓破壞時(shí)兩種不同的剛度衰減規(guī)律,并采用多個(gè)混凝土材料硬化變量對(duì)本構(gòu)模型中的屈服函數(shù)進(jìn)行了修正,能較好地顯示混凝土材料的損傷演化狀態(tài)。數(shù)值模型中C30混凝土的動(dòng)損傷模型參數(shù)取值見文獻(xiàn)[18]。此外,鋼筋材料采用線彈性本構(gòu)模型,其彈性模量為210 GPa。

車站主體結(jié)構(gòu)的鋼筋和傳統(tǒng)現(xiàn)澆中柱的鋼筋均采用“嵌入”的方式置于對(duì)應(yīng)的構(gòu)件中,并且不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移。土體與結(jié)構(gòu)之間的交界面法向全部定義為“硬”接觸,且允許土體和結(jié)構(gòu)之間發(fā)生分離;切向全部定義為摩擦接觸,摩擦系數(shù)取為0.4[19]。對(duì)于傳統(tǒng)現(xiàn)澆中柱,頂面和底面均直接綁定在頂梁或底梁的對(duì)應(yīng)位置。對(duì)于裝配式中柱,依據(jù)其施工工藝設(shè)置各接觸面的接觸屬性如下:鋼管內(nèi)表面與混凝土芯柱外表面之間采用綁定接觸;托板與縱梁之間采用綁定接觸;其余位置均采用摩擦接觸,如鋼管外表面與半環(huán)形包接頭之間的摩擦系數(shù)取為0.15、鋼管的頂?shù)酌媾c縱梁之間的摩擦系數(shù)取為0.45,混凝土芯柱的頂?shù)酌媾c縱梁之間的摩擦系數(shù)取為0.55[13]。

2.2 輸入地震動(dòng)

該研究輸入地震動(dòng)情況如圖4所示,通過(guò)計(jì)算峰值加速度(PGA)與峰值速度(PGV)的比值可計(jì)算出振動(dòng)頻率,進(jìn)而評(píng)價(jià)其對(duì)地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜相互作用的影響。為使得研究結(jié)果具有一般性和普遍性,所選地震波必須足夠具有代表性。依據(jù)兼顧高、中和低頻振動(dòng)特征的原則,篩選了見表2的4條典型地震波。4條基巖輸入地震動(dòng)的加速度峰值(peak bedrock acceleration,PBA)分別調(diào)整為0.3 g 和0.5 g。

表2 地震波特性的判定Table 2 Determination of seismic waves

圖4 地震動(dòng)的加速度時(shí)程Fig. 4 Acceleration time history of the earthquakes

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

3.1 車站結(jié)構(gòu)側(cè)向變形

表3給出了不同壁厚工況下,結(jié)構(gòu)的頂?shù)鬃畲笙鄬?duì)位移?？傮w來(lái)看:在中柱裝配式新型車站中,連接裝置壁厚的減小會(huì)增大側(cè)墻處的變形,且隨著從基巖輸入地震動(dòng)的逐漸增大,這種放大效應(yīng)會(huì)更加明顯,其原因應(yīng)為中柱裝配式車站的中心柱體通過(guò)左右兩片半環(huán)形包接頭,以面面接觸的方式與結(jié)構(gòu)的縱梁搭接,因此包接頭壁厚直接影響著中柱與縱梁之間的約束與牽拉情況,對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的傳導(dǎo)及能量遷移存在一定影響,進(jìn)而限制了中柱參與結(jié)構(gòu)整體變形的能力。

通過(guò)對(duì)比可知:側(cè)墻變形峰值主要出現(xiàn)在20 mm和10 mm兩個(gè)壁厚較小的工況中,表明當(dāng)包接頭壁厚處于較薄的階段時(shí),車站結(jié)構(gòu)整體將處于一個(gè)較柔的力學(xué)狀態(tài),使得“有柱式車站”逐漸向“無(wú)柱式車站”的趨勢(shì)緩慢轉(zhuǎn)變,車站自身的抗側(cè)移剛度受到削弱,從而使得地震時(shí)的結(jié)構(gòu)變形受周圍土體的影響加深。綜上所述,盡管降低包接頭壁厚可以降低成本,但從震時(shí)結(jié)構(gòu)整體安全角度考慮,在設(shè)計(jì)中應(yīng)避免采用過(guò)薄的包接頭。

根據(jù)結(jié)構(gòu)頂?shù)紫鄬?duì)位移情況統(tǒng)計(jì)了結(jié)構(gòu)的層間位移角,當(dāng)基巖輸入0.3 g地震動(dòng)作用時(shí),除極個(gè)別計(jì)算工況外,車站結(jié)構(gòu)的層間位移角均小于《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T51336—2018》中彈塑性限值1/250,表明地鐵車站在此荷載作用下,結(jié)構(gòu)側(cè)墻及頂?shù)装逦窗l(fā)生塑性破壞,結(jié)構(gòu)仍處于較為安全的情況。當(dāng)基巖輸入0.5 g地震動(dòng)作用時(shí),中柱裝配式結(jié)構(gòu)的層間位移角發(fā)生顯著增大,已逐漸接近甚至超過(guò)層間位移角限值。從層間位移角的增長(zhǎng)情況來(lái)看:層間位移角基本與地震波呈現(xiàn)正相關(guān),與包接頭的壁厚呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。然而在Kobe波作用下,層間位移角出現(xiàn)了非線性增長(zhǎng),這應(yīng)與震時(shí)土體的非線性變形有關(guān)。在大震的作用下,土體出現(xiàn)了較為劇烈的形變,從而對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)墻施加了更大的外力。

從結(jié)構(gòu)施工體系的角度分析,傳統(tǒng)現(xiàn)澆中柱結(jié)構(gòu)通過(guò)露頭縱筋,直接與結(jié)構(gòu)的縱梁澆筑在一起,因此具有較好的一體性;而在中柱裝配式新型結(jié)構(gòu)中,包接頭與預(yù)制柱的端部?jī)H通過(guò)面面接觸包裹在一起,在保護(hù)結(jié)構(gòu)中柱的同時(shí),兩者之間的相對(duì)約束減弱,使頂?shù)装逶谳S向和切向外力共同作用下更易出現(xiàn)扭曲失穩(wěn),因此包接頭的壁厚對(duì)結(jié)構(gòu)的震時(shí)安全性也存在著顯著的影響。綜合層間位移角及結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形結(jié)果,初步推薦快速連接裝置中包接頭壁徑大于等于30 mm,以保證中柱裝配式車站在地震荷載作用下對(duì)中柱仍有一定的約束能力,從而保證結(jié)構(gòu)的整體安全性能。

3.2 車站中柱內(nèi)力反應(yīng)

圖5顯示了在Kobe波作用下中柱的內(nèi)力幅值,整體上講,中柱裝配式結(jié)構(gòu)的柱體內(nèi)力幅值要明顯小于傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。當(dāng)峰值加速度從0.3 g增大到0.5 g時(shí),兩種結(jié)構(gòu)中柱位置所受的內(nèi)力迅速增加。隨著地震荷載的增大,減震體系逐漸開始發(fā)揮作用,使得中柱裝配式結(jié)構(gòu)的柱端內(nèi)力變化較小,在全荷載過(guò)程中均維持在一定限值內(nèi)上下波動(dòng),這表明了該減震體系具有較好的適用性,在地震荷載作用下能有效保護(hù)中柱不受損傷,從力學(xué)層面延長(zhǎng)了柱體的使用壽命,最終提高了車站結(jié)構(gòu)的整體抗震水平。

圖5 Kobe地震動(dòng)下中柱內(nèi)力Fig. 5 Internal force of the central column under Kobe wave

為了進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)中柱震時(shí)力學(xué)性態(tài)進(jìn)行分析,此處以工程配筋中常用的峰值內(nèi)力為基礎(chǔ),定義了體系的減震效率為:

式中:FCIP表示傳統(tǒng)現(xiàn)澆中柱的截面內(nèi)力,包括彎矩、剪力及軸力,FCFST表示裝配式中柱的截面內(nèi)力。減震效率η越大,說(shuō)明基巖波通過(guò)減震體系的傳遞效應(yīng)越小,減震效果也越優(yōu)。

總的來(lái)講,當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)應(yīng)用預(yù)制柱的快速連接體系后,將顯著降低車站結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域-中柱的內(nèi)力。剪力的減震效率最高可達(dá)60%,彎矩和軸力次之。出現(xiàn)這種情況的原因是水平向地震荷載對(duì)埋置于地下的車站結(jié)構(gòu)主要起著水平加速度作用,在主體結(jié)構(gòu)左右搖晃的同時(shí),新型減震結(jié)構(gòu)中柱與縱梁之間的牽拉效應(yīng)得到了顯著減弱,最終有效緩解柱頂與柱底出現(xiàn)的局部破壞,尤其減小了中柱端部的水平剪切作用。

采用不同壁厚的連接裝置,其中柱所受內(nèi)力情況無(wú)明顯增減變化,這應(yīng)是由于新型減震結(jié)構(gòu)的采用已經(jīng)大幅降低了中柱處的相互作用,在采用預(yù)制鋼管混凝土柱及其快速連接裝置后,結(jié)構(gòu)中柱的受力狀態(tài)已經(jīng)由固結(jié)“Tie”連接,轉(zhuǎn)變?yōu)榭砂l(fā)生滑移的柔性體系,而壁厚的變化并不會(huì)對(duì)此種受力狀態(tài)造成太大的改變。綜上所述,可以在保證中柱不受地震損傷的同時(shí),略微減小快速連接裝置的壁厚,使其在滿足結(jié)構(gòu)整體安全性能要求的同時(shí),更具有經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 車站結(jié)構(gòu)地震損傷

為進(jìn)一步反映結(jié)構(gòu)的整體抗震性能,這里提取了在Kobe波作用下,六種不同結(jié)構(gòu)的地震損傷情況。如圖6所示,傳統(tǒng)現(xiàn)澆中柱結(jié)構(gòu)在0.3 g地震荷載作用下已出現(xiàn)顯著的大面積破壞,尤其是柱體頂?shù)锥思傲?柱搭接處,損傷延伸區(qū)域已近似橫貫整個(gè)截面;而對(duì)于裝配式中柱結(jié)構(gòu)而言,其中柱部位損傷區(qū)域受到很明顯的縮減,無(wú)論是在何種壁徑工況下幾乎都未出現(xiàn)明顯的地震損傷。這充分印證了快速連接裝置的適用性,在強(qiáng)地震作用下能夠較好地保護(hù)中柱混凝土。

圖6 Kobe地震動(dòng)下車站結(jié)構(gòu)地震損傷(PBA=0.3 g)Fig. 6 Earthquake damage of structure under Kobe wave (PBA=0.3 g)

從連接裝置壁厚改變對(duì)車站外側(cè)框架的影響方面,隨著壁厚從50 mm減小到10 mm,車站主體結(jié)構(gòu)混凝土的損傷整體呈現(xiàn)加大趨勢(shì),在結(jié)構(gòu)頂?shù)装鍍啥思皞?cè)墻底部尤為明顯:結(jié)構(gòu)右下側(cè)倒角附近的混凝土出現(xiàn)顯著的損傷區(qū)域延伸,其破壞嚴(yán)重程度也有了明顯加重。結(jié)構(gòu)側(cè)墻左上方倒角處的受拉損傷則呈現(xiàn)了一個(gè)蔓延發(fā)育的全過(guò)程,當(dāng)連接裝置較厚時(shí)僅僅外側(cè)部分區(qū)域破損,隨著壁厚逐漸降低側(cè)墻相應(yīng)損傷區(qū)域隨之緩慢增大,最終延伸至貫穿整個(gè)側(cè)墻截面。側(cè)墻及頂?shù)装鍝p傷區(qū)域的延伸反映了主體結(jié)構(gòu)整體剛度的降低。

從對(duì)結(jié)構(gòu)中柱的地震保護(hù)方面,如圖7所示,對(duì)比壁厚小于等于30 mm工況時(shí),在強(qiáng)地震作用下,40 mm與50 mm兩個(gè)工況的中柱頂?shù)锥司霈F(xiàn)了不同程度的細(xì)微損傷,這表明當(dāng)連接裝置過(guò)厚時(shí),會(huì)使中柱端部與縱梁間的相互作用明顯增強(qiáng),從而使得“減震鏈接”在約束上越來(lái)越趨向于“現(xiàn)澆中柱”的非減震結(jié)構(gòu),使得該體系逐漸喪失減震的作用。

圖7 Kobe地震動(dòng)下車站結(jié)構(gòu)地震損傷(PBA=0.5 g)Fig. 7 Earthquake damage of structure under Kobe wave (PBA=0.5 g)

同時(shí)需要注意,在基巖輸入PBA=0.5 g地震動(dòng)時(shí),車站外側(cè)框架各處呈現(xiàn)嚴(yán)重的受拉震害。與圖7中的壁厚50 mm工況相比,30 mm及20 mm兩個(gè)工況在頂板右側(cè)倒角處出現(xiàn)了非常明顯的損傷程度加重,損傷區(qū)域以初始位置為基礎(chǔ)向兩邊明顯擴(kuò)展,整體呈現(xiàn)了大范圍的混凝土受拉破壞現(xiàn)象,這說(shuō)明了隨著壁厚的減小,中柱對(duì)體系的約束作用有所削減,最終將導(dǎo)致整體剛度也隨之降低。混凝土損傷情況也印證了前面關(guān)于層間位移角及結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況的分析。

綜上所述,快速連接裝置壁厚的合理選取對(duì)減震結(jié)構(gòu)的減震效能發(fā)揮至關(guān)重要。如果過(guò)薄,則將降低體系對(duì)預(yù)制鋼管混凝土柱的約束,減少震時(shí)中柱對(duì)框架結(jié)構(gòu)的支撐作用,進(jìn)而影響地下結(jié)構(gòu)的整體抗震性能;而如果過(guò)厚,將顯著增加快速連接裝置的造價(jià)負(fù)擔(dān),同時(shí)也會(huì)加劇中柱端部的震時(shí)應(yīng)力集中。鑒于此,針對(duì)單層地鐵車站結(jié)構(gòu),建議在中柱快速連接裝置中采用壁厚在30～40 mm的半環(huán)形包接頭,以在保證結(jié)構(gòu)整體安全性能與降低結(jié)構(gòu)造價(jià)的同時(shí),充分發(fā)揮該減震體系的減震效能,從而提升地鐵地下車站結(jié)構(gòu)的整體抗震性能水平。

4 結(jié)論

本文建立了采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆中柱和裝配式鋼管混凝土中柱地下車站結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)精細(xì)化模型,系統(tǒng)分析了連接裝置不同壁厚對(duì)車站結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形、關(guān)鍵截面內(nèi)力反應(yīng)和地震損傷等結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力反應(yīng)特性的影響規(guī)律,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)與整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比,預(yù)制鋼管混凝土柱及其快速連接裝置可明顯降低車站中柱所受的地震內(nèi)力,尤其對(duì)中柱剪力的減震效率可達(dá)60%,能較好地保護(hù)結(jié)構(gòu)中柱免受過(guò)大的地震剪切破壞。

2)新型中柱減震結(jié)構(gòu)的采用大幅降低了中柱與縱梁的相互作用,中柱的受力狀態(tài)由固結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榭砂l(fā)生滑移的柔性連接,且鋼管混凝土柱的鋼管對(duì)內(nèi)部混凝土柱芯具有明顯的保護(hù)作用,因此新連接裝置壁厚變化對(duì)鋼管混凝土柱內(nèi)力的影響較小。

3)隨著連接裝置壁厚的逐漸減小,預(yù)制鋼管混凝土柱的約束也隨之減小,當(dāng)壁厚過(guò)薄時(shí),車站結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)移剛度進(jìn)一步削弱,導(dǎo)致車站結(jié)構(gòu)的層間位移角進(jìn)一步放大,受到拉壓彎剪的綜合地震作用,頂?shù)装寮皟蛇厒?cè)墻倒角周圍的地震受拉損傷范圍也將略有加大。

整體來(lái)看,連接裝置壁厚過(guò)厚時(shí)對(duì)中柱的保護(hù)作用沒有明顯增強(qiáng),甚至?xí)觿≈兄瞬康膽?yīng)力集中,同時(shí)整個(gè)體系的造價(jià)也將提高;而壁厚過(guò)薄時(shí),車站主體結(jié)構(gòu)地震損傷會(huì)明顯加重。鑒于此,建議選取范圍在30～40 mm的壁厚,以在保證地下車站結(jié)構(gòu)整體抗震性能和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),最大程度地發(fā)揮預(yù)制鋼管混凝土柱及其快速連接裝置的減震效能,從而提升地鐵地下車站結(jié)構(gòu)的整體抗震性能水平。