高架車站橋建組合結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)分析

劉 杰

（南昌軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，江西 南昌）

前言

高架車站相對(duì)地下車站有造價(jià)低、工期短的特點(diǎn)，能夠與周邊建筑景觀相融合的結(jié)構(gòu)形式。近年來(lái)，伴隨著高架在更多城市交通建設(shè)與發(fā)展中的應(yīng)用，對(duì)于高架高架車站上蓋結(jié)構(gòu)的研究也逐漸增加[1]?？紤]城市土地空間的有限性和規(guī)劃建設(shè)的復(fù)雜性，對(duì)高架車站上蓋結(jié)構(gòu)的施工建設(shè)，會(huì)受到較多因素的影響和限制。其中，抗震性能與高架車站的地基承載力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都有著密切的聯(lián)系。

1 工程概況

白馬山站為南昌市軌道交通4 號(hào)線工程的起點(diǎn)站，主要為高架三層半魚腹島式車站，站后設(shè)單渡線。車站結(jié)構(gòu)型式為“橋-建”組合結(jié)構(gòu)體系，車站西端采用10 米標(biāo)準(zhǔn)站臺(tái)寬度，東端采用魚腹式站臺(tái)，有效站臺(tái)中心里程SK0+156.000，車站起點(diǎn)里程為SK0+097.000，車站終點(diǎn)里程為SK0+241.018，長(zhǎng)度為144 m，車站軌面線距地面高14.6 m。工程總長(zhǎng)144.017 m，位于崗埠地貌單元，工程勘察階段受新修道路影響，存在有一層較厚的填土層，厚度約為0.50～6.30 m；下伏基巖為白堊系上統(tǒng)南雄組(K2n)紅層，巖性為泥質(zhì)粉砂巖。基于這一特點(diǎn)，該工程選擇鉆孔灌注樁的方案進(jìn)行施工設(shè)計(jì)，將中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層作為樁基礎(chǔ)的持力層。

2 數(shù)值模型的構(gòu)建

白馬山站車站橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)144 m，單跨12 m，墩柱、蓋梁、站廳橫梁、立柱及軌道梁采用C50 混凝土，容重取26.0 kN/m3。蓋梁采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，其他采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，天橋均采用600 KN雙支座加載。該工程采用MIDAS 2015 程序進(jìn)行建模分析。全橋共3 829 個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 778 個(gè)單元。同時(shí)采用PKPM 用進(jìn)行受力計(jì)算。

在構(gòu)建數(shù)值模型的過(guò)程中，主要基于以下公式：

式中，Kref代表壓縮性參考系數(shù)；Pref代表參考?jí)毫Γ籱 代表指數(shù)，通常取值在0-1 之間。

構(gòu)建模型主要是基于非線彈性和塑性模型的原理，通過(guò)對(duì)彈性應(yīng)力以及應(yīng)變關(guān)系的計(jì)算，應(yīng)用切線壓縮模量來(lái)代替表土-結(jié)構(gòu)的靜水壓力函數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)模型的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用彈性本構(gòu)模型，圍繞彈性模量和泊松比兩個(gè)參數(shù)，基于應(yīng)力與應(yīng)變之間正比例的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于模型參數(shù)的計(jì)算。就目前來(lái)看，數(shù)值模型的求解流程見圖1。

圖1 數(shù)值模型的求解流程

3 “橋- 建”組合結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)分析

橫向雙柱高架車站墩柱結(jié)構(gòu)，軌道梁及其支承結(jié)構(gòu)按鐵路橋梁規(guī)范進(jìn)行內(nèi)力設(shè)計(jì)，按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111) 的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，抗震設(shè)防類別為B 類，采用車站整體結(jié)構(gòu)模型，計(jì)入站臺(tái)層、站廳層的剛度影響，計(jì)算時(shí)計(jì)入一條100%豎向靜活載和50%站臺(tái)人群荷載。

材料、地基容許應(yīng)力和單樁軸向容許承載力的提高，應(yīng)按現(xiàn)行《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111)的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。站臺(tái)層、站廳層結(jié)構(gòu)及與墩柱、橫梁的連接，按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)及設(shè)防。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)車站抗震工況的分析，構(gòu)建基于實(shí)際工況的三維數(shù)值模型，流程見圖2?？紤]高架車站地震響應(yīng)通常從高架車站的橫斷面入手，本文對(duì)橋建組合結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)分析也基于這一特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建[2]。

圖2 三維數(shù)值模型構(gòu)建流程

3.1 地震響應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置與分析

取高架車站混凝土框架結(jié)構(gòu)區(qū)域的某一個(gè)斷面，對(duì)高架車站的中柱進(jìn)行依次編號(hào)，借助模型呈現(xiàn)高架車站結(jié)構(gòu)斷面的水平向位移情況，明確層間位移角的大小。在對(duì)水平向位移情況進(jìn)行分析之后，發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目的高架車站橫斷面變形為剪切型，且不同區(qū)域的變形情況基本一致。在此基礎(chǔ)上，需要從高架車站結(jié)構(gòu)的墻板彎矩、中柱彎矩、加速度以及層間位移角和剪力大小等數(shù)值方面入手，進(jìn)一步探討上蓋結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律。

而對(duì)于土體地震相應(yīng)的分析，則重點(diǎn)從土體的加速度和變形情況兩方面進(jìn)行分析。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，應(yīng)基于人工波的作用，在構(gòu)建的自由場(chǎng)模型以及結(jié)構(gòu)-地層模型中，選取5 個(gè)不同位置的土地加速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，以繪制土體豎向高度變化曲線的方式，獲得模型中高架結(jié)構(gòu)墩柱頂?shù)壮霈F(xiàn)的最大位移時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的加速度。而對(duì)于土體變形情況的分析，則主要通過(guò)繪制在不同位置下土體水平向位移變化情況的方式，模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的地震作用，考慮受到地震作用的影響，同一水平方向上的自由場(chǎng)土體水平向變形較為均勻，因而土體的水平向變形應(yīng)處于相等的狀態(tài)。但由于土體變形規(guī)律與自由場(chǎng)不同，對(duì)土體水平向的位移變化影響也存在差異，需要通過(guò)模型來(lái)對(duì)具體的位移變化情況進(jìn)行分析[3]。

在這一過(guò)程中，引入自由場(chǎng)單元以及彈簧單元的概念，在注重消除計(jì)算誤差的同時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于土-結(jié)構(gòu)之間相互作用的模擬。其中，設(shè)定高架車站結(jié)構(gòu)圍巖屬性計(jì)算水平以及豎直方向上的地基反力系數(shù)分別為K、K，則可以基于以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，E0代表巖土的彈性模量，α 代表基于不同實(shí)驗(yàn)條件下的系數(shù)。在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，由于系數(shù)不同，得到的Kv0、Kk0求解值也存在差異。

3.2 高架車站的地震響應(yīng)模型構(gòu)建與數(shù)值分析

高架車站的施工建設(shè)往往于二層或三層進(jìn)行，與以往平層車站建設(shè)存在區(qū)別的是，以“橋-建”組合結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行施工，需要考慮多次超靜定結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建的要求，考慮混凝土的收縮、徐變、升降溫等對(duì)車站結(jié)構(gòu)造成的影響。通常需要注重保障車站梁體外觀的線條流暢性，在軌道梁的部分應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，讓梁體能夠支承于橋墩蓋梁上，在軌道梁部分應(yīng)用雙線單項(xiàng)單室的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支架。高架車站的地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。以MIDAS 有限元軟件來(lái)構(gòu)建針對(duì)高架車站的空間計(jì)算模型，模擬車站可能受到的地震響應(yīng)情況，對(duì)其進(jìn)行分析，可以從高架車站的相對(duì)層間位移峰值以及加速度反應(yīng)情況入手。

在車站結(jié)構(gòu)相對(duì)層間位移部分，將相應(yīng)的參數(shù)導(dǎo)入到數(shù)值模型當(dāng)中，可以得到車站車柱的相對(duì)層間位移值變化情況見表1。

表1 高架車站柱的相對(duì)層間位移峰值（mm）

結(jié)合表1 中的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)在水平地震的作用下，上蓋結(jié)構(gòu)的高架車站結(jié)構(gòu)變形仍以剪切型為主，且同一列柱和同一行柱的層間位移相差較小，因而可以推斷上蓋結(jié)構(gòu)只會(huì)對(duì)車站地基結(jié)構(gòu)的變形量產(chǎn)生影響，不會(huì)對(duì)地基結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律產(chǎn)生影響。

對(duì)高架車站加速度反應(yīng)的分析，得到的數(shù)值結(jié)果見表2。

表2 高架車站車柱峰值加速度（m·s-2）

結(jié)合表2 中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，即便在不同的工況中，車柱的峰值加速度相差不大，最大差值百分比在5.6%左右，因而可以證實(shí)上蓋鋼框架結(jié)構(gòu)對(duì)車站結(jié)構(gòu)加速度的影響，對(duì)車站結(jié)構(gòu)抗震性能的影響較小。在實(shí)際的車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，可以忽略上蓋結(jié)構(gòu)對(duì)車站整體結(jié)構(gòu)慣性力改變產(chǎn)生的影響。如果在監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)車站結(jié)構(gòu)中柱的峰值加速度從下向上逐漸增加，則證明車站結(jié)構(gòu)始終處于彈性的狀態(tài)[4]。

3.3 地震響應(yīng)對(duì)上蓋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的啟示

從高架車站上蓋鋼結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)計(jì)的角度，在明確上蓋結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律的前提下，應(yīng)采取合理的方法來(lái)改進(jìn)和提升車站結(jié)構(gòu)的抗震性能，從而提升高架車站的質(zhì)量效果。結(jié)合前面的分析，發(fā)現(xiàn)在地震作用下，上蓋結(jié)構(gòu)高架車站的存在，會(huì)對(duì)土體的結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生影響，而土體結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生的變化能夠呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。對(duì)上蓋結(jié)構(gòu)高架車站的抗震設(shè)計(jì)，需要在明確受到地震作用影響的地震響應(yīng)規(guī)律前提下，應(yīng)用合理的方法來(lái)構(gòu)建上蓋結(jié)構(gòu)高架車站的數(shù)值模型[5-6]。

基于此，可以在考慮推動(dòng)上蓋結(jié)構(gòu)高架車站一體化建設(shè)目標(biāo)的前提下，以傳統(tǒng)的反應(yīng)位移法為基礎(chǔ)，以擬靜力法為原理，將地震荷載轉(zhuǎn)換為位移的形式將其施加于結(jié)構(gòu)上。這種反應(yīng)位移法強(qiáng)調(diào)對(duì)高架車站的車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞的最主要原因，是地層的變形作用。如果將地震產(chǎn)生的荷載施加到土層上的力轉(zhuǎn)換為施加在結(jié)構(gòu)上，則可以直接對(duì)車站結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生的破壞特性進(jìn)行分析。

在實(shí)際應(yīng)用中，該方法需要通過(guò)建立簡(jiǎn)化力學(xué)模型的方式，從車站結(jié)構(gòu)周圍剪力和車站結(jié)構(gòu)慣性力的角度，對(duì)靜力荷載與車站結(jié)構(gòu)變形之間的關(guān)系進(jìn)行分析?？紤]靜力荷載主要包括地層相對(duì)位移、結(jié)構(gòu)地層剪力以及結(jié)構(gòu)加速度三項(xiàng)參數(shù)，且在車站結(jié)構(gòu)剛度與周圍土層剛度存在差異的情況下，地震荷載導(dǎo)致的土層位移變化與對(duì)車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移變化也不完全一致?；诖?，可以利用以下公式，引入結(jié)構(gòu)周圍的土彈簧來(lái)對(duì)等效荷載進(jìn)行計(jì)算：

式中，p(z) 代表直接施加在結(jié)構(gòu)上的等效荷載；u(z)、u(zB)代表距地表面深度z 處和車站結(jié)構(gòu)底板z處的土層位移大小，單位為mm；k 代表地基彈簧的剛度，k＝Kld。其中，K 代表基床系數(shù)，l 代表地基的集中彈簧間距，d 代表地層沿車站結(jié)構(gòu)縱向的計(jì)算長(zhǎng)度。

4 結(jié)論

綜上所述，基于地震相應(yīng)的相關(guān)原理，對(duì)高架車站上蓋結(jié)構(gòu)的施工建設(shè)進(jìn)行計(jì)算分析，充分發(fā)揮模擬模型的作用，對(duì)提升高架車站的建設(shè)質(zhì)量和性能效果具有積極的意義。考慮城市建設(shè)發(fā)展對(duì)推動(dòng)高架車站與周圍建筑一體化的建設(shè)要求，對(duì)高架車站上蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)在注重滿足車站社會(huì)服務(wù)功能需求的同時(shí)，為車站的質(zhì)量結(jié)果和性能提供更安全完善的保障。