羅少華

(杭州鐵路設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310006)

基于“建規(guī)”的橫向雙柱高架地鐵車站抗震性能研究

羅少華

(杭州鐵路設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310006)

高架地鐵車站集民建與橋梁于一體,其抗震性能分析需同時(shí)滿足現(xiàn)行《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50157—2013)》《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50111—2006)》《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50909—2014)》的相關(guān)要求?，F(xiàn)結(jié)合寧波至奉化城際鐵路工程實(shí)例,按“建規(guī)”建立三維整體模型進(jìn)行詳細(xì)的抗震性能分析和專項(xiàng)論證,以便為基于“建規(guī)”的高架地鐵車站抗震專項(xiàng)論證提供可供參考的分析全過程。

橫向單跨；高架地鐵車站；抗震性能

1 工程概況

寧波至奉化城際鐵路近期工程線路全長21.589 km,其中地下線0.84 km,高架線20.439 km,過渡段長0.31 km(含U型槽段)。設(shè)站9座,均為高架車站。全線采用B型車6節(jié)編組,站臺有效長度118 m。本文以筆者單位設(shè)計(jì)的其中一座高架側(cè)式車站(方橋站)為例,詳細(xì)闡述橫向雙柱高架地鐵車站的抗震性能分析。方橋站橫向柱跨為6.9 m,車站縱向柱跨為12 m,共10跨,車站總長度為121.4 m。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四柱為1.5 m×1.5 m 外,其余均為1.4 m×1.2 m。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。方橋站橫剖面見圖1。

圖1 方橋站典型橫剖面圖

根據(jù)國家住建部于2008年10月8日頒布的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》)第二條及第十四條,本車站屬現(xiàn)行《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)(GB 50223—2008)》[1](以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)中規(guī)定的重點(diǎn)設(shè)防類市政公用設(shè)施,應(yīng)在初步設(shè)計(jì)階段組織專家進(jìn)行抗震專項(xiàng)論證。本站橫向?yàn)殡p柱單跨結(jié)構(gòu),屬現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》[2](2016年版)(以下簡稱《抗規(guī)》)第6.1.5條規(guī)定的不應(yīng)采用的框架結(jié)構(gòu),符合《規(guī)定》中第十四條“超出現(xiàn)行工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)使用范圍的市政公用設(shè)施”的要求,應(yīng)進(jìn)行抗震專項(xiàng)論證。

2 基于“建規(guī)”的抗震性能分析

2.1 按振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行多遇(E1)地震作用分析

運(yùn)用PKPM軟件(v2.2)建立空間三維整體模型,見圖2。

圖2 PKPM三維整體模型

根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》《抗規(guī)》及《寧波至奉化城際鐵路工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告》[3](以下簡稱《安評》)的規(guī)定,選取抗震計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 按“建規(guī)”計(jì)算的抗震設(shè)計(jì)參數(shù)表

PKPM-SATWE計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)振型周期見表2。

表2 結(jié)構(gòu)前三階振型周期表

由表2可見,第一周期為結(jié)構(gòu)X向平動(dòng)周期,第二周期為結(jié)構(gòu)Y向平動(dòng)周期,第三周期為結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期,扭轉(zhuǎn)周期比(第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比)為0.853,滿足現(xiàn)行《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范(JGJ 3—2010)》[4](以下簡稱《高規(guī)》)第3.4.5條的規(guī)定。

結(jié)構(gòu)多遇地震作用計(jì)算的主要控制參數(shù)見表3。

本站結(jié)構(gòu)1層與2層X向剛度比為57.18%,Y向剛度比為64.26%；2層與3層X向剛度比為21.15%<50%,Y向剛度比為79.49%,根據(jù)《抗規(guī)》第3.4.1條條文說明,相鄰層間剛度比小于50%屬特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。按《抗規(guī)》第5.1.2條第3款需采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。

表3 結(jié)構(gòu)抗震主要控制參數(shù)表

2.2 按彈性動(dòng)力時(shí)程分析法進(jìn)行多遇(E1)地震作用分析

本站按照《抗規(guī)》5.1.2條第3款要求進(jìn)行多遇地震下的彈性動(dòng)力時(shí)程分析。按《抗規(guī)》表5.1.2-2和表5.1.4-1及《安評》提供的本站100年超越概率63%的水平地震影響系數(shù)最大值0.115,本站時(shí)程分析所用地震加速度時(shí)程的最大值取35×0.115/0.08=50.32 cm/s2。本站選用2條天然地震波(TH2TG045和TH4TG045)和1條人工波(RH2TG045)進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程分析。規(guī)范反應(yīng)譜與地震波平均譜對比圖見圖3。

圖3 規(guī)范反應(yīng)譜與地震波平均譜對比圖

由圖3可以看出,規(guī)范反應(yīng)譜與地震波反應(yīng)譜在結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20%,滿足《抗規(guī)》第5.1.2條第3款中“多組時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符”的要求。彈性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果見表4。

由表4可見,3條地震波計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算所得的底部剪力的80%,且每條地震波計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算所得的底部剪力的比值大于65%,小于135%,滿足《抗規(guī)》第5.1.2條第3款的要求。按彈性動(dòng)力時(shí)程分析所得的結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/1 006<1/550,結(jié)構(gòu)傾覆力矩比為6.03>1,滿足《抗規(guī)》要求。同時(shí),彈性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)底部剪力、樓層剪力層間位移角包絡(luò)值均大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果,結(jié)構(gòu)相關(guān)部位的構(gòu)件內(nèi)力和配筋應(yīng)根據(jù)彈性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果作相應(yīng)調(diào)整。

表4 地震波作用下結(jié)構(gòu)底部剪力

注：PKPM-SATWE軟件按振型分解反應(yīng)譜法算得CQC組合的底部剪力,X向(順橋向即縱向)為20 296.52 kN,Y向(橫橋向即橫向)為20 662.27 kN。

2.3 罕遇(E3)地震作用分析

2.3.1 彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

根據(jù)《抗規(guī)》第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(dòng)力時(shí)程分析方法對本站結(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和表5.1.4-1及《安評》提供的本站50年超越概率2%水平地震影響系數(shù)最大值0.373,本站時(shí)程分析所用地震加速度時(shí)程的最大值取220 cm/s2。地震波時(shí)程曲線選用與多遇地震時(shí)程分析對應(yīng)的3條地震波,按三向輸入進(jìn)行計(jì)算,三向加速度最大值比例按1∶0.85∶0.65。

采用上述3條地震波分別以X向及Y向?yàn)榈卣鹱饔脼橹鞣较蜻M(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析,各地震波作用下的結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)位移及最大層間位移角分別見表5、表6。

表5 地震波作用下結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)位移

表6 地震波作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角

由表5、表6可知,本站在罕遇地震下,X向最大層間位移角為1/264(站廳層),Y向最大層間位移角為1/295(站廳層),均小于《抗規(guī)》第5.5.5條規(guī)定的1/50,滿足規(guī)范要求。

2.3.2 彈塑性靜力分析

根據(jù)現(xiàn)行《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50909—2014)》[5](以下簡稱《城軌抗規(guī)》)第5.4.3條,當(dāng)用于彈塑性時(shí)程分析的地震波數(shù)量少于7條時(shí),宜取時(shí)程法計(jì)算結(jié)果與反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值?，F(xiàn)按照此條規(guī)定,對本站結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性靜力分析(pushover分析),按X向和Y向分別計(jì)算。

X向、Y向罕遇地震下,需求-能力譜曲線分別見圖4、圖5。

圖4 X向(順橋向)罕遇地震下需求-能力譜曲線

圖5 Y向(橫橋向)罕遇地震下需求-能力譜曲線

由圖4可見,能力曲線與需求曲線交點(diǎn)所對應(yīng)的層間位移角為1/385,小于《抗規(guī)》第5.5.5條規(guī)定的1/50,同時(shí)也小于彈塑性時(shí)程分析結(jié)果值1/264,滿足規(guī)范要求。

由圖5可見,能力曲線與需求曲線交點(diǎn)所對應(yīng)的層間位移角為1/477,小于《抗規(guī)》第5.5.5條規(guī)定的1/50,同時(shí)也小于彈塑性時(shí)程分析結(jié)果值1/295,滿足規(guī)范要求。

3 結(jié) 語

通過對軌道梁與車站框架剛接的橋建合一高架三層地鐵車站的詳細(xì)抗震性能分析和專項(xiàng)論證,可以得出以下三點(diǎn)結(jié)論供業(yè)界同行參考。

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,其抗震性能可以滿足規(guī)范要求。

2)該類型車站一、二層結(jié)構(gòu)縱向剛度較橫向剛度小,這對其抗震較為不利,故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大其縱向柱的截面尺寸。

3)按照規(guī)范要求,該類型車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)分別按“建規(guī)”和“鐵規(guī)”兩套規(guī)范體系進(jìn)行多遇地震作用下的強(qiáng)度驗(yàn)算和罕遇地震作用下的性能分析,并應(yīng)進(jìn)行抗震專項(xiàng)論證,得到滿足相應(yīng)規(guī)范和規(guī)程要求的計(jì)算結(jié)果后才能用于施工圖設(shè)計(jì)。

[1] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008．

[2] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016．

[3] 浙江省工程地震研究所.寧波至奉化城際鐵路工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告[R].寧波：寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司,2015．

[4] 中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010．

[5] 同濟(jì)大學(xué)，天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司.GB 50909—2014城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:中國計(jì)劃出版社,2014．

Study on the Seismic Behavior of the Elevated Metro Station with Horizontal Doubole Columns Based on the Building Regulations

LUOShaohua

2016-05-23

羅少華(1983—),男,浙江富陽人,工程師,從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

U231+.4

A

1008-3707(2017)03-0017-04