房勝兵

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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站臺有柱雨棚結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計分析

房勝兵

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安710043)

通過對鐵路站臺有柱雨棚“Y”形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)典型單元的抗震全過程分析，證明其按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》“兩階段設(shè)計”難以滿足“三性能水準(zhǔn)”的設(shè)防目標(biāo)，調(diào)整結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度來實現(xiàn)滿足抗震性能化設(shè)計的“兩階段設(shè)計”。既便于結(jié)構(gòu)設(shè)計，又能保證結(jié)構(gòu)在中震下的可修復(fù)性和罕遇地震作用下的安全性。

鐵路客站；站臺有柱雨棚；“Y”形結(jié)構(gòu)；抗震性能化設(shè)計；抗震全過程分析

1　概述

當(dāng)前，沿海高風(fēng)壓、高腐蝕度地區(qū)客運專線以及以貨為主的中小型鐵路客站站臺有柱雨棚普遍采用“Y”形現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)沿股道方向為超靜定結(jié)構(gòu)，而垂直于股道方向為靜定結(jié)構(gòu)。通常站臺有柱雨棚結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計主要按照當(dāng)前我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[1](以下稱《抗規(guī)》)規(guī)定的能力設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計。

當(dāng)前《抗規(guī)》主要采用“二階段設(shè)計”來實現(xiàn)“三性能水準(zhǔn)”設(shè)防目標(biāo)的抗震設(shè)計方法，即：第一階段通過承載力計算、內(nèi)力調(diào)整措施和提高抗震構(gòu)件設(shè)計可靠度水準(zhǔn)來滿足“小震不壞，中震可修”的性能目標(biāo)；通過概念設(shè)計和抗震構(gòu)造措施來滿足“大震不倒”的性能目標(biāo)，即：結(jié)構(gòu)延性設(shè)計。該方法通過有意識地建立一系列塑性屈服區(qū)，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，因此該設(shè)計方法適用于抗震結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部、外部具有較多贅余度的結(jié)構(gòu)。但是“Y”形現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)垂直于股道方向為靜定結(jié)構(gòu)，其延性并不能被充分利用，若采用該方法對類似于“Y”形鋼筋混凝土靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計，則結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震和罕遇地震作用下可能存在安全隱患。因此，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)屈服承載力和合理的延性設(shè)計，來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震和罕遇地震作用下的抗震性能水準(zhǔn)[2]。

我國《抗規(guī)》對結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的反應(yīng)控制指標(biāo)較為完善，但對設(shè)防地震和罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)控制指標(biāo)不太明確。鑒于《抗規(guī)》“三性能水準(zhǔn)”的設(shè)計目標(biāo)就是一種基本的抗震性能化設(shè)計，因此參照《建筑地震破壞等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》[3]中關(guān)于各類房屋地震破壞分級的劃分和《抗規(guī)》中關(guān)于結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)的描述，對有柱站臺雨棚結(jié)構(gòu)的“三性能水準(zhǔn)”進(jìn)行定量分析，具體見表1。

表1　結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)

注：Δμe為多遇地震作用下標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的最大層間位移角；Δμp為罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角。

關(guān)于房屋高度較低的非特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)的彈塑性分析，《抗規(guī)》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《高規(guī)》)[4]推薦較為準(zhǔn)確的三維靜力彈塑性分析方法，即：push-over分析方法。

2　靜力彈塑性分析方法的基本要求

靜力彈塑性分析方法計算軟件易于掌握，對計算結(jié)果的工程判斷較彈塑性時程分析法容易，計算亦較省時。當(dāng)前，關(guān)于靜力彈塑性分析方法基本原理詳細(xì)講述的文獻(xiàn)較多[5-6]，不再累述。靜力彈塑性分析方法的基本假定為：(1)假定結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)與某一等效的單自由度體系相關(guān)，也就是說結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)由第一階振型控制；(2)結(jié)構(gòu)沿高度的變形形狀不變。盡管靜力彈塑性分析方法有其自身的缺陷和適用范圍，但是經(jīng)大量試驗研究證明，實際的結(jié)構(gòu)體系只要滿足上述的2個基本假定，push-over分析方法可以很準(zhǔn)確地預(yù)測結(jié)構(gòu)地震下的最大反應(yīng)[7-8]。

本文研究的“Y”形雨棚結(jié)構(gòu)典型單元的力學(xué)模型可直接簡化為單自由度結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)沿高度的變形形狀不變，因此完全符合采用push-over分析方法的相關(guān)假定要求。等效單自由度體系恢復(fù)力模型簡化為如圖1所示的三折線。

圖1　等效單自由度體系力-位移關(guān)系曲線

3　結(jié)構(gòu)抗震全過程分析

3.1工程概況

采用的結(jié)構(gòu)典型單元基于新建鐵路格爾木至庫爾勒線(青海段)花土溝站臺雨棚的工程背景?；ㄍ翜险九_雨棚采用現(xiàn)澆普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，柱距為7.0 m，柱高為6.0 m，垂直于股道方向柱兩側(cè)對稱懸挑4.5 m，沿股道方向結(jié)構(gòu)長度為35 m；圓柱直徑為600 mm，矩形變截面挑梁截面尺寸為300 mm×(850～400) mm，縱向屋蓋框梁截面尺寸為300 mm×500 mm，封邊梁截面尺寸為250 mm×800 mm(上翻400 mm)，屋蓋板厚為130 mm；混凝土強(qiáng)度等級均為C35，梁、柱縱筋強(qiáng)度等級為HRB400級，箍筋強(qiáng)度等級為HPB300。

本工程設(shè)防烈度為7度，設(shè)防地震峰值加速度為0.15g，多遇水平地震影響系數(shù)為0.12，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第三組，場地特征周期值為0.45 s[9]；結(jié)構(gòu)安全等級為一級，設(shè)計基準(zhǔn)期為50年，設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震等級為三級；屋面活荷載為0.50 kN/m2；基本風(fēng)壓為0.65 kN/m2(100年一遇)，地面粗糙度為B類；基本雪壓為0.25 kN/m2(100年一遇)，具體布置見圖2，圖3。

圖2　結(jié)構(gòu)典型單元平面布置(單位：mm)

圖3　1-1剖面(單位：mm)

3.2多遇地震作用下結(jié)構(gòu)計算

本文分別采用SATWE(2010 V2.2版)和Midas Gen(Ver.795)軟件計算站臺雨棚結(jié)構(gòu)典型單元在多遇地震作用下的反應(yīng)。

在結(jié)構(gòu)計算時，考慮2個方向偶然偏心的影響，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1，結(jié)構(gòu)自振周期的折減系數(shù)取為1.0，振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%，計入重力二階效應(yīng)的影響。

設(shè)計荷載是結(jié)構(gòu)分析的重要依據(jù)，取值是否合理將直接影響到結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。工程中考慮的荷載含永久荷載：屋面自重、結(jié)構(gòu)自重、屋面板底抹灰等；可變荷載：屋面活載、雪荷載、風(fēng)荷載等；地震作用：水平和豎向地震作用[10]。

荷載組合主要考慮了上述各項荷載工況，同時參考了相關(guān)實際工程[11-13]，主要基本組合工況如下。

工況1：1.35×永久荷載+1.4×0.7×屋面活載

工況2：1.35×永久荷載+1.4×0.6×風(fēng)荷載+1.4×0.7×雪荷載

工況3：1.2×(永久荷載+0.5×雪荷載)+1.3×水平地震

工況4：1.2×(永久荷載+0.5×雪荷載)+1.3×豎向地震

工況5：1.2×(永久荷載+0.5×雪荷載)+1.3×水平地震+1.4×0.2×風(fēng)荷載

工況6：1.2×(永久荷載+0.5×雪荷載)+1.3×豎向地震+1.4×0.2×風(fēng)荷載

工況7：1.2×(永久荷載+0.5×雪荷載)+1.3×水平地震+0.5×豎向地震+1.4×0.2×風(fēng)荷載；

工況8：1.2×(永久荷載+0.5×雪荷載)+1.3×豎向地震+0.5×水平地震+1.4×0.2×風(fēng)荷載

采用上述2種軟件對結(jié)構(gòu)典型單元多遇地震作用下的計算結(jié)果基本一致，結(jié)構(gòu)2個方向最大彈性層間位移角均小于1/550，最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.18<1.5，結(jié)構(gòu)在3個方向的質(zhì)量參與系數(shù)均大于0.90。由此可見，計算結(jié)果滿足《抗規(guī)》中關(guān)于框架結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下各項控制指標(biāo)的要求，具體計算結(jié)果見表2。

表2　結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果

3.3設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)驗算

結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下的量化控制指標(biāo)參考《建筑地震破壞等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》(建設(shè)部90建抗字377號)對結(jié)構(gòu)地震破壞分級的標(biāo)準(zhǔn)，即：對不需修理或稍加修理，仍可繼續(xù)使用的結(jié)構(gòu)變形參數(shù)的參考值為(1.5～2)Δμe，Δμe在本文中相當(dāng)于柱頂控制點位移值為10.9 mm。

結(jié)構(gòu)典型單元按多遇地震作用下SATWE的計算結(jié)果配筋，經(jīng)Push-over分析，在性能點處基底剪力V=101.6 kN，該值小于按材料標(biāo)準(zhǔn)值計算的抗剪承載力243.9 kN[14](該值計算時忽略對柱抗剪承載力有利的軸向壓力因素)，柱頂控制點位移S=22.61 mm>10.9 mm×2=21.8 mm，構(gòu)件出現(xiàn)輕微塑性變形，但達(dá)不到屈服狀態(tài)，具體見圖4。總體上來講，結(jié)構(gòu)承載力滿足設(shè)計要求，但結(jié)構(gòu)的層間位移已不能滿足第二性能水準(zhǔn)的要求，需要適當(dāng)增大結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度。

圖4　設(shè)防地震作用下柱頂位移計算結(jié)果(單位：mm)

3.4罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性分析

雨棚結(jié)構(gòu)典型單元中梁、柱構(gòu)件均采用常規(guī)P-M-M鉸。罕遇地震作用下彈塑性層間位移限值為H/50，在本文中相當(dāng)于柱頂控制點位移值為120 mm。結(jié)構(gòu)典型單元按多遇地震作用下SATWE的計算結(jié)果配筋，經(jīng)Push-over分析，在性能點處基底剪力V=213.7.8 kN，該值小于按材料標(biāo)準(zhǔn)值計算的抗剪承載力243.9 kN，柱頂控制點位移S=85.1 mm<120 mm×0.9=108 mm。從數(shù)據(jù)上看，結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足罕遇地震作用下的性能水準(zhǔn)要求，但是從抗震概念設(shè)計上來看，結(jié)構(gòu)單元兩端柱構(gòu)件底部已產(chǎn)生塑性鉸，可能會造成連續(xù)倒塌，具體見圖5。因此本結(jié)構(gòu)需要提高豎向構(gòu)件承載力，以滿足罕遇地震作用下的抗震性能水準(zhǔn)要求。

圖5　罕遇地震作用下柱頂位移計算結(jié)果(單位：mm)

4　結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的調(diào)整

由于雨棚結(jié)構(gòu)典型單元不能滿足設(shè)防地震作用下的剛度要求和罕遇地震作用下強(qiáng)度要求，因此將柱構(gòu)件截面直徑從600 mm調(diào)整至650 mm，結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度控制值增加31.7%。結(jié)構(gòu)典型單元按多遇地震作用下SATWE的計算結(jié)果配筋，經(jīng)Push-over分析，設(shè)防地震作用下性能點處基底剪力V=126.6 kN，該值小于按材料標(biāo)準(zhǔn)值計算的抗剪承載力286.3 kN(該值計算時忽略對柱抗剪承載力有利的軸向壓力因素)，柱頂控制點位移S=18.66 mm<6 000/550×2=21.8 mm，構(gòu)件均未屈服，見圖6。罕遇地震作用下，性能點處基底剪力V=264.4 kN，該值小于按材料標(biāo)準(zhǔn)值計算的抗剪承載力286.3 kN，柱頂控制點位移S=65.72 mm<120 mm×0.9=108 mm，構(gòu)件均未屈服，見圖7。

圖6　調(diào)整后設(shè)防地震作用下柱頂位移計算結(jié)果(單位：mm)

圖7　調(diào)整后罕遇地震作用下柱頂位移計算結(jié)果(單位：mm)

可見增大結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度控制值可有效滿足結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計要求。為便于此類結(jié)構(gòu)按照《抗規(guī)》進(jìn)行“兩階段設(shè)計”，根據(jù)前述結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析和調(diào)整方法，列出不同設(shè)防烈度下該結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度控制值需放大的比例，并給出相應(yīng)多遇地震作用下的彈性層間位移角建議值，具體見表3?？紤]到設(shè)防烈度為6度時，一般地震作用不是結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制作用；設(shè)防烈度為9度時，此類結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少，故本文均未考慮。

表3　結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度控制值放大比例

結(jié)構(gòu)自振周期T僅由結(jié)構(gòu)質(zhì)量和側(cè)向剛度確定[15]，且其介于場地特征周期Tg與5Tg之間，故隨著設(shè)防烈度的提高，地震影響系數(shù)增大，結(jié)構(gòu)質(zhì)量基本不變時的結(jié)構(gòu)剛度需求增大，自振周期縮短，從而導(dǎo)致地震作用放大幅度增大，故滿足抗震性能化設(shè)計時的“兩階段設(shè)計”的側(cè)向剛度控制值增加比例亦增大。

5　結(jié)論

通過對花土溝站臺雨棚“Y”形現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)典型單元的抗震性能化設(shè)計分析，以及對此結(jié)構(gòu)滿足抗震性能化設(shè)計時的“兩階段設(shè)計”的規(guī)律的總結(jié)，具體結(jié)論如下。

(1)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計，需要立足于承載力和變形能力的綜合考慮。性能設(shè)計目標(biāo)往往側(cè)重于通過提高承載力推遲結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性工作階段并減少塑性變形，但文中所述雨棚結(jié)構(gòu)還需要同時提高其側(cè)向剛度以滿足變形的要求。

(2)為了便于此類結(jié)構(gòu)按照《抗規(guī)》進(jìn)行“兩階段設(shè)計”，文中列出其在不同設(shè)防烈度下滿足抗震性能化設(shè)計時，側(cè)向剛度控制值需提高的比例和多遇地震作用下彈性層間位移角限值建議值。

(3)滿足結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計時的“兩階段設(shè)計”的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度控制值增加比例隨著設(shè)防烈度的增加而增大。

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Performance-based Seismic Design and Analysis of Platform with Column Canopy Structure

FANG Sheng-bing

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi’an 710043，China)

Through the seismic analysis of a typical column “Y” shaped reinforced concrete structure unit，it is proved that the “two stage design” following Specifications for Structure Seismic Design can hardly meet the “three performance level” goal，and adjusting the lateral stiffness of the structure can meet seismic performance-based design of “two stage design”，which is advantageous for structure design，and can guarantee the reparability of the structure under medium earthquake and safety under severe earthquake.

Railway passenger station; Platform canopy; “Y” shaped structure; Performance-based seismic design; Seismic analysis of whole process

2016-03-03；

2016-04-04

房勝兵(1983—)，男，工程師，2011年畢業(yè)于重慶大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：158386458@qq.com。

1004-2954(2016)10-0098-04

TU2481

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.022