橫向地震作用下不同站橋組合體系抗震性能對比

摘要： 為對比橫向地震作用下不同站橋組合體系的抗震性能，以某實際站橋分離體系為研究對象，結(jié)合實際情況設(shè)計站橋合一體系，考慮橋墩、支座非線性以及橋梁擴大基礎(chǔ)?碎石墊層?地鐵車站頂板之間的非線性滑動摩擦效應(yīng)，利用有限元軟件MIDAS/Civil建立其三維非線性動力模型，研究橫橋向地震輸入下兩種工況不同站橋組合體系的動力響應(yīng)與橋墩損傷。結(jié)果表明：在橫向罕遇地震輸入下，相較于站橋合一體系，站橋分離體系可延長結(jié)構(gòu)周期，有效減小橋墩墩底與地鐵車站支撐柱的動力響應(yīng)，對于兩種站橋組合體系，橋墩位置對應(yīng)地鐵車站支撐柱的內(nèi)力響應(yīng)大于其他普通支撐柱；在橫向超罕遇地震輸入下，相較于站橋合一體系，站橋分離體系出現(xiàn)塑性狀態(tài)的時間更晚，最終損傷程度更輕，支座進入非線性階段的時間靠后，橋墩整體變形也更小。在橫向地震作用下，站橋分離體系抗震性能更為優(yōu)良，但在實際工程中應(yīng)該注意地鐵車站支撐柱的橫向框架效應(yīng)導(dǎo)致的內(nèi)力增加與橋梁基礎(chǔ)滑移的限位。

關(guān)鍵詞： 抗震性能； 不同站橋組合體系； 橫向地震作用； 時程分析

中圖分類號： U442.5+5 " "文獻標(biāo)志碼： A " "文章編號： 1004-4523（2025）03-0567-12

DOI： 10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2025.03.013

Seismic performance comparison of different station?bridge combination systems under transverse earthquakes

JIAO Chiyu1，2， MA Hui3，4， LIU Nengwen5， QIN Yonggang5， CHENG Mianzhou6

（1.Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Civil Engineering Structure and Renewable Material，Beijing

University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China； 2. Ancient Bridge Research Institute， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China； 3. Multi?Functional Shaking Tables Laboratory，Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044，China； 4. Ningxia Engineering Co．，Ltd．， CCCC Infrastructure

Maintenance Group，Yinchuan 750001， China； 5. Beijing Municipal Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd.， Beijing 100082，China； 6. China Architecture Design and Research Institute Co.，Ltd.， Beijing 100044，China）

Abstract： In order to compare the seismic performance of different station-bridge combination systems under transverse seismic action， this paper takes an actual station-bridge separation system as the research object， designs a station-bridge integrated system combined with the actual situation， considers the nonlinear effect of bridge piers and supports， and the nonlinear sliding friction effect between expanded foundation， gravel cushion and metro station roof. A three-dimensional nonlinear dynamic model is established by using the finite element software MIDAS/Civil， and the dynamic response and pier damage of the composite system of two different stations and bridges under the cross-bridge seismic input are studied. The results show that under the unusual seismic lateral input， compared with the station-bridge integrated system， the station-bridge separation system can prolong the structural period and effectively reduce the dynamic response of the pier bottom and the supporting column of metro station. For the two combined station-bridge systems， the internal force response of the supporting column corresponding to the position of the pier is greater than that of other ordinary supporting columns. Under the lateral seismic input of the rare earthquake， compared with the station-bridge integrated system， the station-bridge separation system appears later in the plastic state， the final damage degree is lighter， the time of the support entering the nonlinear stage is later， and the overall deformation of the bridge pier is smaller. The seismic performance of the station and bridge separation system is better under the transverse earthquake action. However， in the actual project， attention should be paid to the increase of internal force caused by the transverse frame effect of the subway support column and the limit of the bridge foundation slip.

Keywords： seismic performance； composite system of different station?bridge； transverse seismic action； time?history analysis

近年來，中國城市化進程高速發(fā)展，城市人口與機動車數(shù)量不斷增長，交通擁堵問題愈發(fā)顯著。為解決此類問題，軌道交通與高架快速路快速發(fā)展。截至2022年底，中國擁有軌道交通的城市為55個，運營總里程約為10078 km，首次突破10000 km［1］。但由于城市土地資源有限，特別是在人口及交通密集區(qū)域，地鐵車站與高架橋梁難免發(fā)生場地沖突，為高效整合利用有限空間，站橋合建成為解決問題的一種有效手段［2］。

目前，站橋合建工程實例越來越多，同時站橋合建方式也多種多樣，有高架橋主梁上建車站的形式［3］，也有地鐵車站上蓋建橋的形式。因此，國內(nèi)外學(xué)者對這兩類站橋組合體系在考慮車輛荷載和地層影響下的結(jié)構(gòu)靜動力響應(yīng)進行了研究［4?5］，也對地震響應(yīng)進行了探討。WANG等［6］對某站橋組合體系進行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形在橫向激勵下比縱向激勵下更危險，橋梁的荷載可在一定程度上抑制地下結(jié)構(gòu)的變形。WEI等［7］以一種雙墩柱高架地鐵車站設(shè)計為原型，制作了一個1/6比例的預(yù)制裝配式橫向框架，通過擬靜力加載試驗與數(shù)值模擬驗證了裝配方案的可行性。ZHAO等［8］對某車站綜合橋結(jié)構(gòu)設(shè)計制作了1/25比例的模型并進行了振動臺試驗，根據(jù)試驗結(jié)果提出了一種組合結(jié)構(gòu)的抗震性能評價方法。汪樂等［9］依托某地鐵明挖車站?市政橋梁固結(jié)體系建立三維荷載?結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行加強處理，使其滿足規(guī)范要求。張素梅等［10］對地下綜合交通樞紐站橋合建大跨組合結(jié)構(gòu)進行簡化，設(shè)計制作了1/5比例的縮尺站橋轉(zhuǎn)換節(jié)點，通過擬靜力試驗研究了不同設(shè)計荷載下節(jié)點的受力性能。陳禮飛等［11］基于有限元軟件ABAQUS建立了土?樁?高架車站結(jié)構(gòu)非線性動力相互作用的整體有限元模型，分析了地鐵某上部高架車站結(jié)構(gòu)的橫向地震反應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明，高架車站上層結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)明顯大于下層結(jié)構(gòu)，具有明顯近場地震動脈沖特征的地震波更易增強結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。趙丹等［12］針對某長懸臂式地鐵高架車站的抗震性能，采用振型分解反應(yīng)譜法對3種結(jié)構(gòu)形式進行地震動力響應(yīng)分析，結(jié)果表明，鋼混組合結(jié)構(gòu)可以有效降低結(jié)構(gòu)的地震力，具有優(yōu)越的抗震性能，為現(xiàn)行高架地鐵車站橋梁的抗震性能設(shè)計提供參考。

綜上所述，國內(nèi)外關(guān)于站橋組合結(jié)構(gòu)的研究大多集中于高架車站橋梁形式，研究方向大多為彈性階段的靜、動力分析，而針對地鐵車站上蓋建橋的站橋組合體系的研究相對較少，在橫向地震作用下對橋梁與地鐵車站采用不同連接形式的研究更是少之又少?；诖耍疚囊劳心硨嶋H工程中的站橋分離體系，設(shè)計站橋合一體系，建立兩種體系的三維非線性動力模型，在橫向地震作用下綜合考慮墩柱、橫系梁塑性損傷、支座非線性以及站橋分離體系中橋梁擴大基礎(chǔ)?碎石墊層?地鐵車站頂板之間的非線性滑動摩擦效應(yīng)等，研究兩種工況下不同站橋組合體系的動力響應(yīng)與橋墩損傷等情況，以期為站橋組合體系的抗震設(shè)計提供參考。

1 工程概況

本文以某明挖地鐵車站上蓋建橋的站橋組合體系為分析實例，上部橋梁結(jié)構(gòu)為設(shè)置縱坡的3跨變截面連續(xù)鋼箱梁橋，長127.19 m（36.24 m+54.71 m+36.24 m），寬17.00 m；橋梁下部結(jié)構(gòu)為設(shè)置橫系梁的鋼筋混凝土雙柱墩，1#～4#橋墩墩高依次為6、5.5、7和8.5 m。支座采用抗震型盆式橡膠支座，其中，1#和4#墩采用GPZ（KZ）4DX活動支座，2#和3#墩采用GPZ（KZ）10GD固定支座。為增加橋梁結(jié)構(gòu)橫向受力的均勻性，在中墩及邊墩墩頂局部范圍澆筑C40混凝土。下部地鐵車站結(jié)構(gòu)為雙柱3跨地下雙層框架結(jié)構(gòu)，長140.80 m，寬24.70 m，高15.64 m，整體采用C40混凝土。地鐵車站主體采用明挖法施工，每層地鐵站間設(shè)置雙排鋼筋混凝土支撐柱。橋墩設(shè)置擴大基礎(chǔ)，并通過級配碎石墊層與地鐵車站頂板接觸，同時橋墩對應(yīng)車站頂板處增設(shè)橫梁以提高受力性能。主體結(jié)構(gòu)縱、橫斷面圖分別如圖1和2所示。

為對比不同站橋組合體系在橫向地震作用下的抗震性能，基于實際工程站橋分離結(jié)構(gòu)設(shè)計站橋合一結(jié)構(gòu)，其區(qū)別在于橋梁擴大基礎(chǔ)與地鐵車站頂板連接方式不同。原站橋分離結(jié)構(gòu)下部地鐵車站與上部橋梁分離，兩者間通過碎石墊層接觸，層間剪力以摩擦力的形式傳遞；而站橋合一結(jié)構(gòu)中地鐵車站頂板和橋梁基礎(chǔ)固結(jié)，即橋墩通過承臺直接將內(nèi)力傳至地鐵車站頂板與支撐柱，具體連接方式如圖3所示。

2 有限元計算模型

2.1 模型建立

為了分析站橋分離體系與站橋合一體系的受力狀態(tài)，采用有限元軟件MIDAS/Civil建立兩種體系的三維非線性有限元動力模型，為了方便計算，模型只考慮地鐵和橋梁的主體受力結(jié)構(gòu)，忽略引橋與車站內(nèi)部附屬結(jié)構(gòu)等因素的影響。如圖4所示，橋梁結(jié)構(gòu)的主梁、橋墩、橫系梁以及地鐵車站結(jié)構(gòu)的橫梁、縱梁和支撐柱采用梁單元模擬；地鐵車站結(jié)構(gòu)與橋梁擴大基礎(chǔ)具有顯著的空間效應(yīng)，對地鐵站樓板、墻體以及擴大基礎(chǔ)采用板單元模擬［13］，其中，地鐵樓板網(wǎng)格劃分間距為2 m，地鐵墻體網(wǎng)格劃分間距為4.5 m，在橋墩對應(yīng)位置處加密為2 m。支座采用一般連接中的滯后系統(tǒng)模擬其在強震作用下的非線性損傷力學(xué)行為，其中，1#和4#墩采用單向活動支座，2#和3#墩采用固定支座，具體參數(shù)如表1所示［14］。

基于性能抗震設(shè)計理念，鋼筋混凝土墩柱在罕遇地震下會進入不同程度的損傷狀態(tài)。按照文獻［15］規(guī)定，對有系梁的雙柱墩橋梁，潛在塑性鉸區(qū)主要分布在橋墩墩底和系梁與墩柱連接位置處。在此處采用分布纖維鉸單元模擬墩柱的非線性抗震性能，其中，保護層混凝土采用無約束混凝土本構(gòu)模型，箍筋內(nèi)部混凝土采用Mander約束混凝土本構(gòu)模型，縱向鋼筋采用雙折線模型，鋼筋混凝土墩柱與系梁纖維劃分以及本構(gòu)模型如圖5所示。為了綜合考慮橋墩整體損傷變化，橋墩墩柱和系梁所有單元均采用纖維單元模擬，在墩柱與系梁連接處，對系梁伸入到墩柱內(nèi)部的單元設(shè)置梁端剛域，保證系梁塑性鉸出現(xiàn)在潛在塑性鉸區(qū)。

地鐵車站結(jié)構(gòu)為地下建筑，土體對結(jié)構(gòu)的影響不容忽視，在地鐵結(jié)構(gòu)施工完之后，會對其周邊土體進行充分緊密夯實。在地震作用下，假定土體對結(jié)構(gòu)始終有支承作用，所以在該模型中，土體與地鐵車站結(jié)構(gòu)間的相互作用近似采用“土彈簧”模擬，如圖6所示。所有“土彈簧”在整體坐標(biāo)系下，設(shè)置SDx、SDy、SDz方向的剛度，結(jié)合實際工程土層性質(zhì)，采用文獻［16］中的m法進行土彈簧剛度計算，具體如表2所示。

考慮到地鐵車站受力分布較為復(fù)雜，荷載按照恒載受力考慮最不利情況，在地震時程分析時將頂板及中板的附加荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量考慮慣性力作用，暫不考慮側(cè)向土體作為附加質(zhì)量參與地鐵結(jié)構(gòu)復(fù)雜振動的情況。具體布載方式如圖7所示。

2.2 墊層模擬

站橋合一體系中地鐵車站與橋梁之間整體固結(jié)，橋梁承臺與車站頂板間相互作用通過固定彈性連接模擬；而站橋分離體系中橋梁與地鐵車站間通過碎石墊層接觸，結(jié)合已有研究與課題組前期對于其傳力特征的理論分析，雙線性模型更符合基礎(chǔ)滑移結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力模型。對之前學(xué)者采用軸壓彈簧加水平限位裝置的模擬方法［17］進行優(yōu)化，采用Bouc?Wen彈簧模擬橋梁擴大基礎(chǔ)?碎石墊層?地鐵車站頂板間滑移前/后的相互作用，通過在Bouc?Wen彈簧水平方向上設(shè)置兩階段剛度來模擬地震時基礎(chǔ)的滑移行為，其力學(xué)模型［18］與恢復(fù)力模型如圖8所示，具體參數(shù)如表3所示。為使分析結(jié)果更接近實際情況，在每個擴大基礎(chǔ)下均布16個Bouc?Wen彈簧，以保證從擴大基礎(chǔ)傳至車站頂板的力分布更加均勻。

2.3 地震動輸入

采用時程分析法分析站橋組合體系的動力響應(yīng)，其中計算時間步長為保證精度取為0.01 s，迭代計算采用Newton Raphson計算方法，非線性收斂條件采用位移收斂標(biāo)準(zhǔn)進行判定，位移收斂范數(shù)為0.001。本次站橋組合體系所在場地類型為Ⅲ類場地，場地土由松散的中粗砂與密實、中密的細(xì)粉砂組成，場地抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震動峰值加速度為0.2g。

地震波依據(jù)工程背景所在場地類型采用El Centro實測波，1994年美國Northridge地震實測波以及采用隨機性方法基于設(shè)計反應(yīng)譜合成的一條人工地震波，地震波擬合譜如圖9所示，時程曲線如圖10所示。本文主要研究橫向地震作用下兩種站橋組合體系的抗震性能，所以地震動沿整體坐標(biāo)系Y方向輸入，同時考慮兩種地震輸入情況。

工況1：罕遇地震輸入，對應(yīng)地震動加速度峰值為0.2g，在該工況下，主要提取橋梁與地鐵車站內(nèi)力，研究兩種結(jié)構(gòu)體系在設(shè)計加速度峰值下的受力表現(xiàn)；

工況2：超罕遇地震輸入，對應(yīng)地震動加速度峰值為0.4g，在該工況下，主要觀察橋墩的損傷過程以及變形情況。

3 結(jié)構(gòu)動力特性分析

結(jié)構(gòu)自振頻率和振型是進行抗震設(shè)計的重要參數(shù)。本文采用多重Ritz向量法進行兩種站橋組合體系的特征值分析，因為要研究結(jié)構(gòu)在橫向地震作用下的動力特性，故取橫向振型質(zhì)量貢獻率較大的振型進行分析。兩種結(jié)構(gòu)動力特性分析結(jié)果如表4所示，相應(yīng)的振型圖分別如圖11和12所示。

由表4和振型圖可知，因為連接方式不同，站橋分離體系比站橋合一體系周期長；兩種結(jié)構(gòu)在Uy、Rx、Rz三個方向均有較大的振型質(zhì)量貢獻率，說明在橫向地震作用下，站橋組合體系變形不僅有橫彎，也存在扭轉(zhuǎn)。

由圖11和12可以看出，站橋分離體系在低階振型下主要表現(xiàn)為橋墩滑移，在高階振型下表現(xiàn)為橋梁與地鐵車站耦合振動；而站橋合一體系從低階振型開始表現(xiàn)為橋梁與地鐵車站綜合振動。

4 非線性時程計算結(jié)果

計算兩種結(jié)構(gòu)體系考慮恒載情況的非線性時程反應(yīng)，對比工況1下橋梁與地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力最大值以及工況2下橋墩損傷、支座損傷和橋墩變形情況，以此分析兩種結(jié)構(gòu)體系抗震性能的優(yōu)劣。由于站橋組合體系中兩排橋墩和地鐵車站支撐柱的內(nèi)力接近，故取其中內(nèi)力相對較大的一排橋墩進行對比分析，同時在研究范圍內(nèi)，地鐵兩端的支撐柱與周邊結(jié)構(gòu)聯(lián)系復(fù)雜，本次研究中不予考慮。為便于敘述，對橋墩和地鐵車站支撐柱沿順橋向進行編號，其中1#～4#墩對應(yīng)地鐵車站支撐柱編號依次為4、8、15、19，具體如圖13所示。

4.1 橋梁與地鐵車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比分析

根據(jù)文獻［15］中第6.4.2條規(guī)定，當(dāng)采用3條地震波輸入工況對兩種不同站橋組合體系橋梁與地鐵車站進行抗震性能對比分析時，應(yīng)分別選取結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)最大的地震波工況，對各關(guān)鍵構(gòu)件的最大地震響應(yīng)討論如下。

4.1.1 橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力

橋墩墩底動力響應(yīng)可反映橋梁結(jié)構(gòu)橫向抗震性能的優(yōu)劣，圖14為El?Centro地震作用下橋墩墩底橫橋向彎矩和剪力圖。從圖14中可以看出：

（1）對于兩種站橋組合體系，站橋分離體系橋墩墩底動力響應(yīng)更小，說明采用碎石墊層接觸可有效減緩橋墩與地鐵車站頂板間作用力的相互傳遞。

（2）對于同種站橋組合體系，1#和4#橋墩墩底動力響應(yīng)小于2#和3#墩，其原因在于1#和4#墩為邊墩，在橫向地震作用下承擔(dān)主梁豎向慣性力較小；2#橋墩墩底動力響應(yīng)最大，其原因在于2#墩為最矮固定墩，并且主梁存在縱坡，在橫向地震作用下承擔(dān)主梁豎向慣性力最大。因此對于站橋組合體系中的橋梁結(jié)構(gòu)，在設(shè)計過程中應(yīng)著重提高最矮固定墩的受力性能。

4.1.2 地鐵車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力

在橫向地震作用下，地鐵車站動力響應(yīng)最能體現(xiàn)兩種站橋組合體系的抗震性能差異，圖15為人工波地震作用下地鐵車站上層支撐柱柱頂與下層支撐柱柱底的彎矩和剪力圖。與地鐵車站中板相連的上層支撐柱柱底和下層支撐柱柱頂?shù)膬?nèi)力響應(yīng)相對所對應(yīng)位置的柱頂和柱底較小，在此不進行對比分析。從圖15中可以看出：

（1）對于兩種站橋組合體系，從整體變化趨勢可以看出，地鐵車站支撐柱動力響應(yīng)中間大、兩端小，這與谷音等［20］得出的結(jié)論相似，其原因可能在于地鐵車站較為狹長，同時車站中間位置處連接橋梁，導(dǎo)致車站中部支撐柱承擔(dān)的豎向力較大，在橫向地震作用下其動力響應(yīng)大于兩端支撐柱，并且其規(guī)律在橋墩所對應(yīng)支撐柱處尤為明顯。

（2）從各自變化趨勢可以看出，站橋分離體系車站支撐柱動力響應(yīng)小于站橋合一體系，其原因在于站橋分離體系靠橋墩擴大基礎(chǔ)?碎石墊層?地鐵車站頂板間的摩擦力傳遞水平力，有效減少了地震過程中橋墩對地鐵車站的影響，這也說明級配碎石墊層在結(jié)構(gòu)整體振動過程中起到了滑移減震耗能作用，改善了地鐵車站結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。

（3）對于上層地鐵車站支撐柱柱頂?shù)膭恿憫?yīng)，可以看出站橋分離體系較站橋合一體系小，說明碎石墊層起到了一定的減震作用，同時8號柱所對應(yīng)的最大彎矩下降幅度為15.62%，最大剪力下降幅度為15.14%。

（4）對于下層地鐵車站支撐柱柱底的動力響應(yīng)，其規(guī)律與（3）相同。不同的是站橋分離體系比站橋合一體系間的動力響應(yīng)下降幅度要更大，8號柱所對應(yīng)的最大彎矩下降幅度為48.82%，最大剪力下降幅度為50.15%。同時站橋分離體系中4、8、15、19號支撐柱與其他支撐柱相比動力響應(yīng)增值較小，而站橋合一體系中動力響應(yīng)增值較大，其原因可能在于站橋分離體系橋梁與地鐵車站并未固結(jié)，并且地鐵車站下層支撐柱埋深較深，在橫向地震作用下，上層支撐柱的動力響應(yīng)通過車站中板傳遞到下層支撐柱時減小，從而導(dǎo)致上述現(xiàn)象的發(fā)生。

4.2 橋墩與支座損傷分析

4.2.1 橋墩損傷分析

為了研究不同站橋組合體系在地震過程中的損傷發(fā)展，本文依據(jù)DM（damage measure）準(zhǔn)則對橋墩結(jié)構(gòu)在地震作用下的塑性行為進行分析。DM為結(jié)構(gòu)在不同地震強度下的損傷指標(biāo)度量值，將DM的閾值CDM定義為結(jié)構(gòu)倒塌的極限值點，認(rèn)為當(dāng)DM≥CDM時，結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌。美國FEMA 356規(guī)范基于DM準(zhǔn)則，根據(jù)層間位移角θmax定義了結(jié)構(gòu)的3個極限狀態(tài)點：立即使用（immediate occupancy，IO）、生命安全（life safe，LS）和防止倒塌（collapse prevention，CP）［21］，同時考慮墩柱軸壓比對橋墩損傷進行判定，其中，IO極限狀態(tài)為塑性點，CP極限狀態(tài)為倒塌點。MIDAS/Civil軟件據(jù)此將結(jié)構(gòu)塑性鉸狀態(tài)分為5個等級，如表5所示。

基于上述塑性鉸狀態(tài)劃分，在工況2下，對比兩種站橋組合體系在El?Centro地震波下各橋墩的塑性鉸狀態(tài)變化和形成時間，具體如表6和7所示。圖16和17為兩種站橋組合體系在El?Centro地震波下的塑性狀態(tài)變化過程。從中可以看出：

（1）在橫向地震作用下，站橋分離體系橫系梁會先于橋墩進入塑性階段并且發(fā)展過程一直先于橋墩；而站橋合一體系則是橋墩會先于橫系梁進入塑性階段，但后期發(fā)展過程則是橫系梁會先于橋墩進入下一塑性等級。由此可知，對兩種站橋組合體系，站橋分離體系設(shè)計合理，符合強柱弱梁的抗震設(shè)計原則。

（2）從塑性鉸整體變化時間來看，0.1 s時站橋合一體系所有橋墩墩底均進入塑性階段，0.7 s時所有橫系梁也進入塑性階段；而對于站橋分離體系，1.59 s時所有橋墩墩底和橫系梁才進入塑性階段。由此可知，在橫向地震作用下，相較于站橋合一體系，站橋分離體系橋墩進入塑性階段的時間更晚，說明站橋分離體系能對整體結(jié)構(gòu)起到隔震保護作用。

（3）從最終損傷狀態(tài)來看，站橋分離體系所有橋墩墩頂均處于彈性狀態(tài)，1#橋墩墩底和橫系梁均為立即使用狀態(tài)，2#～4#橋墩墩底和2#墩橫系梁也僅發(fā)展到生命安全狀態(tài)，但3#和4#墩橫系梁會發(fā)展到防止倒塌狀態(tài)；而站橋合一體系僅1#和4#橋墩墩頂處于彈性狀態(tài)，所有橋墩墩底均發(fā)展至破壞階段，所有橫系梁也均發(fā)展至防止倒塌階段。由此可知，站橋分離體系橋墩達到塑性狀態(tài)等級更低，達到高等級塑性狀態(tài)的結(jié)構(gòu)范圍更小，最終損傷程度更輕微，體現(xiàn)出更優(yōu)的抗震性能。

4.2.2 支座損傷分析

橋梁支座在橫向地震作用下的受力性能也值得關(guān)注，因為該結(jié)構(gòu)所用支座依據(jù)文獻［22］設(shè)計，并且模擬時采用一般連接模擬，所以根據(jù)文獻［22］中關(guān)于支座水平承載力與單向活動支座橫向位移的規(guī)定，支座破壞界定如下：對于單向活動支座，當(dāng)水平承載力超過屈服強度并且橫向位移超過3 mm時，說明支座破壞，若是水平承載力超過屈服強度而橫向位移未超過3 mm，則說明支座只是發(fā)生了滑移而未破壞；對于固定支座，不考慮其橫向位移的變化，只考慮水平承載力的大小，當(dāng)水平承載力超過屈服強度時，則說明支座擋板被剪壞，支座破壞［23］。

在工況2下，提取兩種站橋組合體系在El?Centro地震波作用下部分活動支座與固定支座的非線性滯回曲線，分別如圖18和19所示。從圖中可以看出：

（1）根據(jù)支座的破壞界定可知，站橋分離體系中單向活動支座橫向最大位移量為0.55 mm，未發(fā)生破壞，而固定支座水平力超過屈服強度，支座破壞；站橋合一體系中單向活動支座橫向最大位移量為3.7 mm，固定支座水平力也超過屈服強度，兩者均發(fā)生破壞。站橋合一體系下單向活動支座橫向位移量大于站橋分離體系，其原因在于站橋分離體系橋墩整體會發(fā)生滑移，起到一定的減震作用，從而促使支座偏移量變小。

（2）站橋分離體系1#和4#墩活動支座進入非線性階段的時間分別為1.46和1.47 s，2#和3#墩固定支座進入非線性階段的時間分別為1.45和1.62 s；站橋合一體系1#和4#墩活動支座進入非線性階段的時間分別為0.91和0.61 s，2#和3#墩固定支座進入非線性階段的時間分別為0.91和1.46 s。通過支座進入非線性階段的時間也可體現(xiàn)出站橋分離體系具有更好的抗震性能。

4.3 橋墩變形與基礎(chǔ)滑移分析

本次研究主要關(guān)注橫向地震作用下不同站橋組合體系的抗震性能，故對于墩梁相對位移不予研究。圖20和21分別給出了3#橋墩墩頂與墩底相對位移（下稱橋墩變形）和3#墩基礎(chǔ)相對地鐵車站頂板滑動位移（下稱基礎(chǔ)滑移）時程曲線。從圖中可以看出：

（1）站橋合一體系3#墩變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于站橋分離體系，同時還存在0.015 m左右的殘余變形量，其原因可從4.2.1節(jié)中看出，站橋合一體系橋墩達到的塑性狀態(tài)等級較高，橋墩損傷較大。

（2）站橋分離體系3#墩雖然變形較小，但基礎(chǔ)滑移量達到了0.102 m，殘余滑移位移量達到了0.082 m，這說明兩種站橋組合體系變形的原理不同。如圖22所示，站橋合一體系主要是橋墩墩頂產(chǎn)生位移，而站橋分離體系是由橋梁基礎(chǔ)滑移和墩頂位移疊加而形成。站橋分離體系橋墩變形更小，橋梁結(jié)構(gòu)在地震過程中基本趨于整體平動，不易發(fā)生損傷。

（3）從整體耗能方式來看，站橋分離體系主要依靠碎石墊層、支座以及橋墩變形進行能量耗散，而站橋合一體系主要依靠支座與橋墩變形進行能量耗散，這也是站橋合一體系支座變形量與橋墩變形量大于站橋分離體系的原因所在。

5 結(jié) "論

（1）從動力特性分析結(jié)果來看，站橋分離體系比站橋合一體系結(jié)構(gòu)周期長，在低階振型下表現(xiàn)為橋墩滑移，體現(xiàn)出碎石墊層的良好隔震作用。

（2）從橋梁動力響應(yīng)來看，站橋分離體系墩底動力響應(yīng)更小，說明碎石墊層可有效減緩橋墩與地鐵車站頂板間作用力的相互傳遞。兩種結(jié)構(gòu)體系中，最矮固定墩受力最大，在設(shè)計過程中應(yīng)著重提高其受力性能。

（3）從地鐵車站動力響應(yīng)來看，兩種站橋組合體系均表現(xiàn)出中間支撐柱內(nèi)力大，兩端支撐柱內(nèi)力小的規(guī)律，并且橋墩位置所對應(yīng)支撐柱的動力響應(yīng)水平明顯大于普通支撐柱，對于站橋組合體系，在設(shè)計過程中應(yīng)加強地鐵中間與橋墩位置對應(yīng)支撐柱的強度。同時站橋分離體系可大幅降低地鐵車站動力響應(yīng)，極大改善地鐵車站整體抗震性能。

（4）從橋墩與支座損傷來看，站橋分離體系橋墩出現(xiàn)塑性狀態(tài)的時間更晚，最終損傷程度更輕，支座進入非線性階段的時間也靠后，表現(xiàn)出良好的抗震性能。然而值得注意的是，橫系梁發(fā)展的塑性等級較高，應(yīng)該加強其延性能力設(shè)計，提升橋墩在地震作用下的整體性。

（5）從橋墩變形與基礎(chǔ)滑移來看，站橋分離體系雖然存在基礎(chǔ)滑移與殘余滑移量，但其橋墩變形更小，橋梁結(jié)構(gòu)在地震過程中整體趨于平動，更不易發(fā)生損傷。在設(shè)計過程中，可設(shè)計相應(yīng)限位裝置來減小基礎(chǔ)滑移量。

文中地震波輸入方向只分析了橫橋向，對于縱橋向與豎向地震波輸入后續(xù)也會開展研究，同時根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究［24?25］，也會開展墊層參數(shù)敏感性分析和振動臺試驗等研究，以期獲得更為準(zhǔn)確的站橋組合體系抗震性能結(jié)果。

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第一作者： 焦馳宇（1980―），男，博士，教授。

E?mail： jcy@bucea.edu.cn

通信作者： 劉能文（1970―），男，學(xué)士，教授級高級工程師。

E?mail： lnw99@126.com