地鐵單跨框架式高架車站結(jié)構(gòu)抗震性能分析

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,210005,南京∥第一作者,高級工程師）

地鐵單跨框架式高架車站結(jié)構(gòu)抗震性能分析

趙進張英杰吳剛

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,210005,南京∥第一作者,高級工程師）

現(xiàn)行規(guī)范中沒有針對地鐵高架車站工程提出具體的抗震要求,《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》［1］目前還只是征求意見稿。但國家主管部門對市政工程的抗震能力有較高的要求,因此對地鐵高架車站的抗震性能分析和研究顯得十分必要。結(jié)合南京寧天城際一期工程典型高架側(cè)式車站進行了詳細的抗震性能分析和專項論證。建立了三維整體模型按振型分解反應(yīng)譜法進行多遇地震作用計算及分析,并進行了靜力彈塑性分析及靜力排線性分析,得出了可供業(yè)界同行參考的結(jié)論。

地鐵;高架車站;單跨框架;抗震性能

First-author’saddress Jiangsu Provincial Communication Planning and Design Institute Co.,Ltd.,210005,Nanjing,China

1 問題的提出

南京寧天城際軌道交通一期工程南起浦口區(qū)大橋北路站,北至六合區(qū)金牛湖站,全長約44.5 km,全線采用B型車4節(jié)編組,站臺有效長度80 m,共計17座車站,其中高架站11座,地下站6座。高架站臺中有5座高架站位于路中6 m寬的綠化帶內(nèi),本單位設(shè)計了其中形式相同的3座側(cè)式站（盤城站、大廠西站和大廠站）和兩座島式站（沿江鎮(zhèn)站和大廠東站）。大廠西站橫向單柱跨度受路中6 m寬綠化帶寬度的限制,最大只能做到3.9 m,車站縱向中間柱子截面尺寸為1.1 m×1.1 m,邊柱截面尺寸為1.4 m×1.4 m,縱向跨度12 m,共7跨,車站總長84 m,總計16根柱子。大廠西站分站廳層、站臺板下層和站臺層3層樓板,沒有軌道梁,是橋建合一的框架結(jié)構(gòu)形式?？紤]到對站址周圍景觀的影響,沒有采用路側(cè)綠帶和路中綠帶分別布置墩柱形成三柱兩跨的結(jié)構(gòu)形式。大廠西站典型橫剖面如圖1所示。

圖1 大廠西站典型橫剖面

國家住建部在2008年10月8日頒布了1號令《市政公用設(shè)施抗災(zāi)設(shè)防管理規(guī)定》（以下簡稱規(guī)定）,其中第二條和第十四條明確城市軌道交通工程應(yīng)在初步設(shè)計階段組織專家進行抗震專項論證。住建部又于2011年3月4日下發(fā)了《市政公用設(shè)施抗震設(shè)防專項論證技術(shù)要點（城鎮(zhèn)橋梁工程篇）》的通知》,對需要做抗震專項論證的橋梁做了詳細的規(guī)定。大廠西站為橋建完全合一的框架結(jié)構(gòu),從功能而言是房屋建筑［2］,從受力特點來看又不同于房屋建筑而接近于橋梁。因為該結(jié)構(gòu)橫向為雙柱單跨,不滿足現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）［3］（以下簡稱《抗 規(guī)》）6.1.5 條 的 規(guī)定：“甲、乙類建筑以及高度大于24 m 的丙類建筑,不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)”,因此該種結(jié)構(gòu)形式符合《規(guī)定》中第十四條的要求“超出現(xiàn)行工程建設(shè)標(biāo)準使用范圍的市政公用設(shè)施”應(yīng)進行抗震專項論證。

2 對本站結(jié)構(gòu)形式的抗震性能分析

2.1 按“建規(guī)”分析

2.1.1 建模及按振型分解 反應(yīng)譜 法進行多遇地震作用計算

運用PKPM-SATWE軟件建立空間三維整體模型如圖2所示。

圖2 三維整體模型

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準》GB 50223 -2008［4］（以下簡稱《建規(guī)》）和《抗規(guī)》的規(guī)定,按房屋結(jié)構(gòu),抗震計算參數(shù)如表1所示。

表1 按《建規(guī)》計算的抗震措施參數(shù)表

結(jié)構(gòu)振型周期如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)前三階振型周期

從表2可見,前兩階振型為平動,第三階為扭轉(zhuǎn),振型合理;第一周期大于場地特征周期0.35 s,結(jié)構(gòu)不會在地震作用下發(fā)生顯著的共振效應(yīng);第三周期比第一周期為0.88,參考《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī) 程》JGJ3-2010［5］（以下簡稱 《高 規(guī)》）中3.4.5條的規(guī)定,該結(jié)構(gòu)周期比滿足要求。

該結(jié)構(gòu)最大層間位移角出現(xiàn)在Y-5% 偶然偏心地震作用工況下,最大彈性層間位移角為1/ 1 588,小于《抗規(guī)》中5.5.1條規(guī)定的1/550,滿足要求;最大位移比為1.34,參考《高規(guī)》中3.4.5條的規(guī)定,該結(jié)構(gòu)位移比滿足要求。

該結(jié)構(gòu)最小剪重比為4.84%,滿足《抗規(guī)》中5.2.5 條最小剪重比1.60%的要求。

但從計算結(jié)果參數(shù)看,結(jié)果指標(biāo)大于規(guī)范要求較多,主要是因為結(jié)構(gòu)剛度較大導(dǎo)致。

2.1.2 多遇地震彈性動力時程分析

根據(jù)《抗規(guī)》中5.1.2條第3款的規(guī)定“特別不規(guī)則的建筑,應(yīng)采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算”。本站按該條的要求進行了彈性動力時程分析。

根據(jù)江蘇省地震工程研究院提供的50年超越概率63%（多遇）水平下工程場地地表地震加速度時程曲線,地震波時程曲線如圖3、圖4及圖5所示。

圖3 水平加速度時程曲線1（50年63%）

圖4 水平加速度時程曲線2（50年63%）

圖5 水平加速度時程曲線3（50年63%）

PKPM-SATWE軟件中自帶了4條天然地震波,如果總計選取7條地震波,則4條天然地震波不能滿足規(guī)范要求的天然地震波不應(yīng)少于總數(shù)2/3的規(guī)定（需要5條）,因此本站進行多遇地震時程分析時采用三組地震波（兩組程序自帶的天然波,一組人工波）。人工波取江蘇省地震工程研究院提供的三組中使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大內(nèi)力的一組。

彈性動力時程分析結(jié)果如表3所示。

表3 地震波作用下結(jié)構(gòu)底部剪力

由表3可見,三組地震波產(chǎn)生的底層剪力包絡(luò)值小于按振型分解反應(yīng)譜法算得的底層總剪力,大于《抗規(guī)》中 5.1.2條文說明規(guī)定的 65%,滿足要求。因此,對于本站按PKPM-SATWE軟件用振型分解反應(yīng)譜法計算出的內(nèi)力不需要調(diào)整。

2.1.3 罕遇地震作用分析

2.1.3.1 彈塑性動力時程分析

根據(jù)《抗規(guī)》中5.5.3條第2款的規(guī)定,對本站進行罕遇地震下的彈塑性動力時程分析,三向輸入地震波,三向加速度最大值比例按1∶0.85∶0.65,地震波選取與多遇地震時程分析時選取的對應(yīng)。地震波時程曲線如圖6、圖7及圖8所示。

圖6 水平加速度時程曲線1（50年2%）

圖7 水平加速度時程曲線2（50年2%）

圖8 水平加速度時程曲線3（50年2%）

計算地震波（第1條波為TH3TG035波,第2條波為TH4TG035波,第3條波為人工波）主方向為X向時結(jié)構(gòu)最大樓層位移、最大層間位移角和最大樓層剪力如圖9、圖10及圖11所示。

圖9 3條地震波作用下最大樓層位移圖

圖10 3條地震波作用下最大層間位移角圖

匯總各條地震波,分別作用在 X、Y 方向時各 計算結(jié)果如表4所示。

表4 各條地震波作用下計算項目匯總

通過以上圖表可知,本站在罕遇地震下,最大層間位移角發(fā)生在站廳層為1/320,小于《抗規(guī)》中5.5.5 條規(guī)定的1/50,滿足規(guī)范要求。

2.1.3.2 靜力彈塑性分析

根據(jù)《抗規(guī)》中5.5.3條第2款的規(guī)定,對本站進行罕遇地震下的靜力彈塑性分析（pushover分析）,分別進行X 向和Y 向計算。

X 向罕遇地震下,需求譜曲線如圖12所示。由圖12可見,能力曲線與需求曲線交點所對應(yīng)的層間位移角為1/363,該彈塑性位移角小于《抗規(guī)》中5.5.5條規(guī)定的1/50,滿足規(guī)范要求。

X 向罕遇地震下,梁柱塑性鉸位置如圖13所示。

由圖13可知,在X 向罕遇地震下,塑性鉸出鉸順序為先在縱向梁梁端,后在柱底。由此可以判斷, X向薄弱層在站廳層,首層柱的柱頂和柱底應(yīng)加強抗震措施。該種縱向多跨結(jié)構(gòu)的受力特點符合房屋結(jié)構(gòu)。Y 向罕遇地震下,需求譜曲線如圖14所示。

圖11 3條地震波作用下最大樓層剪力圖

圖12 X 向（順橋向）罕遇地震下需求譜曲線

圖13 X 向（順橋向）罕遇地震下結(jié)構(gòu)塑性鉸

由圖14可見,能力曲線與需求曲線交點所對應(yīng)的層間位移角為1/368,該彈塑性位移角小于《抗規(guī)》中5.5.5條規(guī)定的1/50,滿足規(guī)范要求。

Y 向罕遇地震下,梁柱塑性鉸位置如圖15所示。

由圖15可知,在Y 向罕遇地震下,塑性鉸出現(xiàn)在柱頂和柱底,橫向蓋梁沒有出現(xiàn)塑性鉸,這主要是由于柱的線剛度和屈服彎矩小于蓋梁的值。這種破壞機理和CJJ 166-2011《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》［6］（以下簡稱《城橋抗規(guī)》）第3.4.2條的規(guī)定相吻合,由此可以判斷該種結(jié)構(gòu)橫向受力特點是符合橋梁結(jié)構(gòu)的。

通過對該種類型車站結(jié)構(gòu)按房屋結(jié)構(gòu)遭遇的多遇地震、罕遇地震計算分析,可以看出結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下能保持彈性狀態(tài),沒有出現(xiàn)異常的振動狀態(tài);結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下塑性鉸出鉸順序兩個方向分別具有房屋結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的特點,彈塑性位移角遠遠小于規(guī)范規(guī)定值,最大位移值也較小,說明罕遇地震作用下,該種結(jié)構(gòu)不會倒塌。

2.2 按“橋規(guī)”分析

2.2.1 建模及多遇地震作用計算

建立空間桿系模型,采用 Midas/Civil 2010軟件進行抗震相關(guān)計算分析。主體結(jié)構(gòu)均采用空間梁單元模擬,利用節(jié)點彈性支撐模擬地基土對結(jié)構(gòu)的作用,其順橋向、橫橋向的約束剛度根據(jù)巖土工程勘察報告提供的地質(zhì)資料采用m法計算。具體計算模型如圖16所示。

由于計算模型中增加了承臺和樁,結(jié)構(gòu)的自振周期變長,第二、三周期很接近,第二振型為扭轉(zhuǎn),具體數(shù)值如表5所示。

按 GB 50157-2003《地鐵設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《地鐵規(guī)范》）和GB 50111-2006《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》（2009年版）［7］（以下簡稱《鐵抗規(guī)》）的相關(guān)規(guī)定計算,在 X 向、Y 向地震作用下,墩柱的混凝土壓應(yīng)力、墩柱中縱筋壓應(yīng)力和墩柱穩(wěn)定性應(yīng)力均滿足TB 10002.3-2005《鐵路橋涵混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［8］的相關(guān)規(guī)定。

圖14 Y 向（橫橋向）罕遇地震下需求譜曲線

圖15 Y 向（橫橋向）罕遇地震下結(jié)構(gòu)塑性鉸

圖16 三維整體模型

表5 結(jié)構(gòu)周期匯總表

2.2.2 罕遇地震作用計算

在罕遇地震下,也選擇圖6、圖7及圖8所示的3組時程波進行計算,取三組計算結(jié)果的最大值。

2.2.2.1 墩柱屈服的判斷

X 向（順橋向）地震作用下,墩柱彎矩值云圖如圖17所示。Y 向（橫橋向）地震作用下,墩柱彎矩值云圖如18所示。

通過墩柱最不利軸力計算出墩柱底、頂?shù)那澗?和地震波作用下墩柱底、頂彎矩相比較,如果屈服彎矩大于計算值則判斷墩柱沒有屈服即不出現(xiàn)塑性鉸,反之則屈服出現(xiàn)塑性鉸。將3條地震波作用下墩柱底、頂彎矩計算值和墩柱底、頂彎矩屈服值匯總?cè)绫?及表7所示。

由表6可見,所有墩柱底、頂在罕遇地震下彎矩均小于屈服彎矩,因此墩頂、墩底沒有屈服,沒有塑性鉸出現(xiàn),則可以推斷本結(jié)構(gòu)縱向框架梁端可以通過調(diào)整配筋使其在罕遇地震下先出鉸。這一點和PKPM分析的結(jié)果是一致的。

由表7可見,中間跨墩柱（1.1 m×1.1 m 墩柱）底、2～4軸墩柱頂在罕遇地震下彎矩均大于屈服彎矩,因此該部位屈服,塑性鉸出現(xiàn)在柱底和柱頂。這一點和PKPM分析的結(jié)果也是一致的。

圖17 X 向罕遇地震波作用下墩柱彎矩值云圖

圖18 Y向罕遇地震波作用下墩柱彎矩值云圖

表6 墩柱X向（順橋向）罕遇地震作用下彎矩最大值和屈服彎矩值

表7 墩柱Y 向（橫橋向）罕遇地震作用下彎矩最大值和屈服彎矩值

2.2.2.2 墩頂位移

取3條地震波計算結(jié)果的最大值,位移云圖如圖19及圖20所示。

圖19 罕遇地震作用下車站下部結(jié)構(gòu)X 向（順橋向）位移圖

圖20 罕遇地震作用下車站下部結(jié)構(gòu)Y 向（橫橋向）位移圖

由圖18、圖19可見,車站墩柱（全高范圍）的非線性響應(yīng)最大 位 移 順橋向 37.640 mm,橫橋向50.110 mm。

通過最不利軸力計算出的墩柱底的屈服曲率以及屈服位移、延性比匯總?cè)绫?所示（只列出位移較大的Y 向（橫橋向））。

表8 下部墩柱Y 向（橫橋向）屈服位移和罕遇地震作用下最大響應(yīng)位移表

從表8可見,各墩柱計算出的非線性位移延性比μu均小于允許位移延性比［μu］,允許位移延性比［μu］按《鐵抗規(guī)》中7.3.3條取值為4.8。由此可以證明該結(jié)構(gòu)在罕遇地震下,墩頂位移小于規(guī)范規(guī)定的限值,滿足規(guī)范要求。

2.2.2.3 非線性靜力分析

參照《城橋抗規(guī)》中7.3.7條的規(guī)定,本結(jié)構(gòu)采用非線性靜力分析方法（pushover）分析,得出墩頂容許位移圖如圖21及圖22所示。

圖21 X 向（順橋向）墩頂容許位移值圖

圖22 Y 向（橫橋向）墩頂容許位移值圖

從圖21、圖22可見,X 向、Y 向罕遇地震作用下,曲線最高點橫坐標(biāo)均為120 mm（巧合沒有必然聯(lián)系）,即罕遇地震下容許位移值均為120 mm。結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下最大響應(yīng)位移值均小于容許值,滿足要求。

2.2.2.4 構(gòu)件按能力保護原則設(shè)計配筋

按現(xiàn)行《地鐵規(guī)范》的規(guī)定,站臺板下層縱橫框架梁、墩柱、承臺和樁基等與行車相關(guān)的構(gòu)件,應(yīng)參考《城橋抗規(guī)》中6.6節(jié)的規(guī)定：按能力保護原則計算內(nèi)力及配筋。按能力保護原則計算出的配筋,可以滿足按房屋建筑采用性能化設(shè)計中達到性能2（中震彈性）的目標(biāo)計算出的配筋要求。

通過對該種類型高架車站按橋梁結(jié)構(gòu)遭遇的多遇地震、罕遇地震計算分析,可以看出結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下構(gòu)件應(yīng)力小于容許應(yīng)力能保持彈性狀態(tài);結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下最大響應(yīng)位移遠小于結(jié)構(gòu)能承受的最大變形位移,說明罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)不會倒塌。

3 結(jié)語

通過對無軌道梁橋建合一高架三層地鐵車站的詳細抗震性能分析,可以得出以下幾點結(jié)論,僅供業(yè)界同行參考。

（1）橫向單跨框架式高架地鐵車站在罕遇地震作用下,振動特性具有橋梁的特點,塑性鉸出現(xiàn)在墩柱底、頂,站廳層是薄弱層,站廳層墩柱有條件時應(yīng)設(shè)計成鋼與混凝土組合的構(gòu)件來加強剛度和延性。

（2）車站縱向是多跨框架,振動特性與房屋結(jié)構(gòu)一致,可以通過減小站廳層框架梁剛度使塑性鉸出現(xiàn)在框架梁端,墩柱底、頂縱向方向沒有進入塑性。

（3）車站與行車有關(guān)的構(gòu)件按能力保護原則設(shè)計配筋時,墩柱、橫向蓋梁和框架梁截面尺寸不宜過小。

（4）該種結(jié)構(gòu)形式用于7度抗震設(shè)防區(qū)是可行的、可靠的。

［1］ 城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范（征求意見稿）［S］.2010.

［2］ GB 50157—2003地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］ GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］ GB 50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準［S］.

［5］ JGJ 3—2010高程建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［6］ CJJ 166—2011城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［7］ GB 50111—2006 鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范（2009年版）［S］.

［8］ TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［9］ 李獻忠,張媛,丁陽.輕軌鐵路站橋結(jié)構(gòu)體系抗震分析與隔振研究［J］.地震工程與工程振動,2003,23（6）：164.

［10］ 孫俊嶺.城市輕軌站橋合一結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題［J］.建筑結(jié)構(gòu),2003,33（10）：63.

［11］ 馬坤全,陳文艷.軌道交通高架橋合理抗震設(shè)計參數(shù)及抗震措施研究［J］.中國鐵道科學(xué),2001,22（4）：64.

［12］ 安秉忠.地鐵高架站結(jié)構(gòu)設(shè)計概要［J］.工業(yè)建筑,2011,41（增刊）：120.

［13］ 周宏慧.高架車站大懸臂獨柱橋墩橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.現(xiàn)代城市軌道交通,2006（4）：68.

［14］ 陳文艷,馬坤全.軌道交通莘閔線高架橋抗震研究［J］.中國市政工程,2003（1）：34.

［15］ 北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司,江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司.寧天城際軌道交通一期工程抗震專項論證報告［R］.北京：北京城建設(shè)計研究總院有限公司,南京：江蘇省規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,2012.

Analysis on the Seismic Behavior of Elevated Metro Station with Single Span Frame

Zhao Jin,ZhangYingjie,Wu Gang

Seismic design methods based on the elevated urban rail transit station have not been formulated in the current specifications,”Code for Seismic Design of Urban Rail Transit Structures”is the only draft today.Despite of that,the competent national authorities request higher standards of antiearthquake capacity in the municipal engineering projects. Therefore,it is very important and necessary to analyze the seismic behavior of elevated urban rail transit station.In this paper,combined with the first phase of Ning-Tian Intercity Railway in Nanjing,a detailed investigation and special demonstration are made on the seismic behavior of the elevated side type station,some conclusions obtained from the study are useful reference in the industry.

metro;elevated station;single span frame; earthquake resistant behavior

TU 352.1+1

2012-11-15）

*上海高校選拔培養(yǎng)優(yōu)秀青年教師科研專項基金項目（gjd10031）;上海市教育委員會重點學(xué)科建設(shè)項目（J51401）