張有桔, 王 飛, 沈洪波

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

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軌道交通工程地下車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

張有桔, 王 飛, 沈洪波

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

綜合抗震設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，結(jié)合抗震專項(xiàng)設(shè)計(jì)的要求，在分析抗震設(shè)防類別、等級(jí)及烈度、論證對(duì)象的判定基礎(chǔ)上，明確基于性能要求的抗震設(shè)防目標(biāo)，重點(diǎn)論述抗震專項(xiàng)設(shè)計(jì)中常用的反應(yīng)位移法和時(shí)程分析法，通過對(duì)典型車站的抗震分析，說明抗震專項(xiàng)設(shè)計(jì)中主要計(jì)算過程和結(jié)論，以期為同類工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

軌道交通；地下車站；抗震設(shè)計(jì)；設(shè)防目標(biāo)；反應(yīng)位移法；時(shí)程分析法

0 引 言

城市軌道交通已經(jīng)成為城市極為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，所以通過抗震設(shè)計(jì)，使軌道交通工程具有合理的抵抗地震破壞作用的能力，確保城市軌道交通結(jié)構(gòu)的地震安全，盡可能減輕軌道交通結(jié)構(gòu)因地震導(dǎo)致性能降低給城市軌道交通的正常運(yùn)行造成障礙，對(duì)城市交通秩序、城市經(jīng)濟(jì)和人們社會(huì)活動(dòng)、生命及財(cái)產(chǎn)安全都是非常重要的。

文獻(xiàn)[1-5]規(guī)定，對(duì)抗震設(shè)防地區(qū)的城市軌道交通結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)從抗震設(shè)防類別、等級(jí)及烈度、論證對(duì)象的判定、抗震設(shè)防目標(biāo)和抗震論證方法等方面，闡述合肥市城市軌道交通常見的地下車站結(jié)構(gòu)抗震專項(xiàng)設(shè)計(jì)思路和方法。

1 抗震設(shè)防目標(biāo)

1.1 抗震設(shè)防類別、烈度及等級(jí)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]要求，城市軌道交通結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)其使用功能的重要性分為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類)、重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)和特殊設(shè)防類(甲類)3個(gè)抗震設(shè)防類別。

對(duì)于一般日平均客流量未超過50萬人次的大型綜合樞紐車站，抗震設(shè)防分類均為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)。對(duì)重點(diǎn)設(shè)防類地下車站結(jié)構(gòu)，其設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足文獻(xiàn)[2]規(guī)定的本地區(qū)抗震設(shè)防要求確定；對(duì)進(jìn)行過地震安全性評(píng)價(jià)的，應(yīng)采用經(jīng)國(guó)家地震工作主管部門批準(zhǔn)的建設(shè)工程抗震設(shè)防要求確定，但不應(yīng)低于本地區(qū)抗震設(shè)防要求確定的地震作用。

對(duì)重點(diǎn)設(shè)防類地下車站，框架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為二級(jí)，中柱軸壓比≤0.75，應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度1度的要求加強(qiáng)其抗震措施。

1.2 論證對(duì)象的判定

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的判定要求，由于地下車站工程一般建筑面積均大于10 000 m2，可以判定地下車站工程均應(yīng)作為單體工程進(jìn)行抗震專項(xiàng)論證分析。

1.3 抗震設(shè)防目標(biāo)

綜合各規(guī)范規(guī)定要求[1-5]，考慮到軌道交通地下車站的重要程度和震后修復(fù)難度，地下車站抗震設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是基于性能的抗震設(shè)計(jì)，即根據(jù)所選定的性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)地震動(dòng)水平下的行為滿足預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。

2 抗震設(shè)計(jì)論證方法

2.1 分析方法比選

對(duì)于軌道交通地下車站結(jié)構(gòu)的地震作用分析和計(jì)算常用的方法有地震系數(shù)法、反應(yīng)位移法、反應(yīng)加速度法和時(shí)程分析法等[6]。

綜合考慮計(jì)算精確度和計(jì)算方法的易用性，結(jié)合國(guó)內(nèi)同類城市已完成的抗震專項(xiàng)論證報(bào)告所采用的分析方法，目前地下車站的抗震專項(xiàng)設(shè)計(jì)主要采用平面反應(yīng)位移法和時(shí)程分析法，對(duì)于結(jié)構(gòu)上部局部建有建(構(gòu))筑物、沿結(jié)構(gòu)縱向土層分布有顯著差異、沿縱向結(jié)構(gòu)型式有較大變化時(shí)、同時(shí)在平面和豎向2個(gè)方向結(jié)構(gòu)變化較多或復(fù)雜時(shí)，需要補(bǔ)充三維反應(yīng)位移法計(jì)算和三維時(shí)程分析，其中以反應(yīng)位移法為主要設(shè)計(jì)依據(jù)，而時(shí)程分析法作為補(bǔ)充驗(yàn)證。

2.2 車站反應(yīng)位移法計(jì)算模型

采用反應(yīng)位移法進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)橫截面的抗震計(jì)算時(shí)，需考慮結(jié)構(gòu)慣性力、土層相對(duì)位移和結(jié)構(gòu)周圍剪力3種地震作用[7]，結(jié)構(gòu)慣性力根據(jù)地震作用下的加速度直接施加。文獻(xiàn)[8-10]研究表明，地下結(jié)構(gòu)在地震作用下隨周圍土體一起振動(dòng)，加速度、位移等結(jié)構(gòu)反應(yīng)與周圍土體基本一致。所以土層相對(duì)位移和土層剪力的豎向分布，可以不考慮車站結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)地層的一維波動(dòng)模型計(jì)算。

一維波動(dòng)模型計(jì)算中，所需場(chǎng)地土的靜、動(dòng)力性能參數(shù)有土層波速、土的重度、動(dòng)剪切模量及阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系曲線、基巖處地震加速度時(shí)程，參數(shù)按工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告取值。計(jì)算場(chǎng)地所取計(jì)算基準(zhǔn)面均選取剪切波速大于500 m/s的基巖，且基巖面深度大于底板最大埋深。

對(duì)于地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，一般僅計(jì)算沿結(jié)構(gòu)橫向的水平地震作用，將周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧。地鐵車站的縱向尺寸比橫斷面尺寸大很多，因此，可將實(shí)際情況的三維模型簡(jiǎn)化為二維平面模型進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，如圖1所示。

圖1 地下車站反應(yīng)位移法計(jì)算模型

2.3 二維平面時(shí)程分析法

基于抗震性能設(shè)計(jì)的有關(guān)計(jì)算方法的要求，對(duì)抗震性能要求為Ⅱ級(jí)時(shí)(E3地震作用)，需補(bǔ)充地震動(dòng)力時(shí)程分析，反應(yīng)地震過程中各時(shí)刻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形狀態(tài)。一般認(rèn)為，結(jié)構(gòu)在重現(xiàn)期2 475年地震動(dòng)作用下已處于極限狀態(tài)，僅計(jì)算其彈塑性變形，以控制其結(jié)構(gòu)整體延性，而不再驗(yàn)算構(gòu)件內(nèi)力。

動(dòng)力計(jì)算中邊界條件選用粘彈性動(dòng)力人工邊界，即在人工邊界處用并聯(lián)彈簧-阻尼器系統(tǒng)等效替代被截?cái)嗟陌霟o限介質(zhì)傳播性質(zhì)[11]。

彈塑性時(shí)程分析由于人工邊界的設(shè)置以及土動(dòng)力非線性參數(shù)等方面較為復(fù)雜且具有不確定性，同時(shí)計(jì)算工作量較大，對(duì)其計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià)也比較困難，一般在地下工程實(shí)際運(yùn)用中較少使用。實(shí)際計(jì)算中，根據(jù)文獻(xiàn)[4]規(guī)定的簡(jiǎn)化算法進(jìn)行計(jì)算，即先分析結(jié)構(gòu)在E3地震作用下的彈性位移，彈塑性位移根據(jù)彈性位移乘以增大系數(shù)估算，考慮到樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)較大，增大系數(shù)一般偏于保守取為1.3。

3 典型車站抗震分析

3.1 工程概況

結(jié)合合肥市軌道交通3號(hào)線抗震專項(xiàng)設(shè)計(jì)，選取紫云路站進(jìn)行抗震分析。車站采用明挖順筑法施工，車站總建筑面積約為12 000 m2，車站主體總長(zhǎng)度為195.1 m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬度為19.7 m。主體結(jié)構(gòu)采用2層單柱雙跨鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)，頂板覆土約為3 m，結(jié)構(gòu)總高為13.2 m，縱向標(biāo)準(zhǔn)柱跨為9 m。

抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，地下車站范圍內(nèi)以黏土和風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為主，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，基本設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面如圖2所示。

圖2 主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面圖

3.2 反應(yīng)位移法分析結(jié)果

采用Midas NX進(jìn)行一維波動(dòng)模型分析，計(jì)算得到土層位移和剪力隨深度的變化，結(jié)果見表1所列。

表1 土層位移及剪力表

(1) 采用SAP84進(jìn)行平面反應(yīng)位移法分析，計(jì)算得到E2地震作用下框架結(jié)構(gòu)每延米內(nèi)力及變形，結(jié)果如圖3所示。

圖3 E2地震作用下各參數(shù)變化

在E2地震作用下，最大彈性層間位移角限值為1/1 131，滿足規(guī)范要求限值1/550，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，滿足工程抗震設(shè)防目標(biāo)。

除車站框架柱外，各構(gòu)件正截面承載力配筋均由準(zhǔn)永久荷載組合作用下的裂縫計(jì)算控制，抗震工況不起控制作用；各構(gòu)件的擬定截面均滿足抗震工況下的最小受剪截面要求。

在E2地震作用下，對(duì)中柱軸力進(jìn)行調(diào)整后，車站的中柱軸壓比滿足規(guī)范限值要求(≤0.75)，其中中柱軸力調(diào)整系數(shù)參照文獻(xiàn)[12]中基于振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)對(duì)反應(yīng)加速度法計(jì)算的各構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行取值，相對(duì)上海軟土地區(qū)，考慮到合肥地區(qū)基巖埋深相對(duì)較深，震害亦較小，中柱軸力調(diào)整系數(shù)按上限取為1.6。

(2) 在E3地震動(dòng)作用下，車站標(biāo)準(zhǔn)段主體結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算結(jié)果如圖4所示，最大彈性層間位移比為1/565，彈塑性層間位移比1/435，滿足規(guī)范要求限值1/250。

圖4 E3地震作用下水平位移值

3.3 時(shí)程分析法分析結(jié)果

計(jì)算采用Midas/GTS，按彈性模型分析在E3地震作用下結(jié)構(gòu)位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，基準(zhǔn)面取中風(fēng)化泥巖頂面，埋深約為30 m。

根據(jù)《合肥市軌道交通3號(hào)線工程地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，本次計(jì)算分析時(shí)僅考慮水平地震作用的影響，選取3條人工波進(jìn)行計(jì)算，采用地震動(dòng)時(shí)程的基準(zhǔn)期為50年，超越概率為2%，基巖處加速度峰值為146.7 gal，時(shí)程采樣間隔為0.02 s，地震波波形如圖5所示。

圖5 基巖水平向加速度時(shí)程曲線

分析顯示，最大相對(duì)水平位移發(fā)生在9.5 s時(shí)刻，為7.15 mm。各點(diǎn)之間水平位移基本保持同步，差異較小，呈現(xiàn)出整體振動(dòng)趨勢(shì)。提取9.5 s時(shí)刻的位移云圖，如圖6所示。

根據(jù)時(shí)程位移曲線，車站結(jié)構(gòu)在E3地震作用下結(jié)構(gòu)最大彈性層間位移比為1/1 426，彈塑性層間位移比為1/1 096，滿足規(guī)范要求限值1/250。對(duì)比反映位移法計(jì)算結(jié)果，時(shí)程分析計(jì)算得到的最大層間彈性位移相對(duì)較小，規(guī)律與文獻(xiàn)[6-7]研究結(jié)論一致。

圖6 E3地震作用下結(jié)構(gòu)水平位移云圖

4 結(jié) 論

(1) 地下車站抗震專項(xiàng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料除常規(guī)設(shè)計(jì)資料輸入外，還應(yīng)補(bǔ)充工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)及工程地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估等。

(2) 地下車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防分類一般為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，且地下車站工程一般建筑面積均大于10 000 m2，應(yīng)作為單體工程進(jìn)行抗震專項(xiàng)論證分析。

(3) 基于性能的抗震設(shè)計(jì)設(shè)防目標(biāo)要求，結(jié)構(gòu)在E2地震作用下滿足強(qiáng)度要求，且結(jié)構(gòu)層間位移角滿足限值1/550要求；結(jié)構(gòu)在E3地震作用下，層間位移角滿足限值1/250要求。

(4) 地下車站的抗震專項(xiàng)設(shè)計(jì)主要采用反應(yīng)位移法和時(shí)程分析法，一般以反應(yīng)位移法為主要設(shè)計(jì)依據(jù)，而時(shí)程分析法作為補(bǔ)充驗(yàn)證，其中反應(yīng)位移法計(jì)算所需的土層相對(duì)位移和土層剪力的豎向分布通常采用一維波動(dòng)模型計(jì)算得到。

(5) E3地震作用下，結(jié)構(gòu)的彈塑性層間變形，可以通過簡(jiǎn)化為彈性分析的層間變形乘以位移增大系數(shù)1.3進(jìn)行估算。

[1] GB 50909-2014,城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 18306-2015,中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖[S].

[3] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.關(guān)于印發(fā)《市政公用設(shè)施抗震設(shè)防專項(xiàng)論證技術(shù)要點(diǎn)(地下工程篇)》的通知[Z].建質(zhì)[2011]13號(hào),2011.

[4] GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] GB 50111-2006,鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] 潘靖軍.交叉地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法對(duì)比研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2014.

[7] 劉晶波,王文暉,張小波,等.地下結(jié)構(gòu)橫斷面地震反應(yīng)分析的反應(yīng)位移法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(1):161～167.

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[11] 劉晶波,呂彥東.結(jié)構(gòu)-地基動(dòng)力相互作用問題分析的一種直接方法[J].土木工程學(xué)報(bào),1998,31(3):55～64.

[12] J 11527-2009, 地下鐵道建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

2016-05-27；修改日期：2016-06-01

張有桔(1986- )，男，安徽全椒人，安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司工程師．

U231.4；TU352

A

1673-5781(2016)03-0361-04