羅少華

(杭州鐵路設(shè)計院有限責(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滿足現(xiàn)行《地鐵設(shè)計規(guī)范(GB 50157—2013)》《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50111—2006)》《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50011—2010)》和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(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例,按“建規(guī)”建立三維整體模型進行詳細的抗震性能分析和專項論證,以便為基于“建規(guī)”的高架地鐵車站抗震專項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)計的其中一座高架側(cè)式車站(方橋站)為例,詳細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)防分類標準(GB 50223—2008)》[1](以下簡稱《標準》)中規(guī)定的重點設(shè)防類市政公用設(shè)施,應(yīng)在初步設(shè)計階段組織專家進行抗震專項論證。本站橫向為雙柱單跨結(jié)構(gòu),屬現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(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)標準使用范圍的市政公用設(shè)施”的要求,應(yīng)進行抗震專項論證。

2 基于“建規(guī)”的抗震性能分析

2.1 按振型分解反應(yīng)譜法進行多遇(E1)地震作用分析

運用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)《標準》《抗規(guī)》及《寧波至奉化城際鐵路工程場地地震安全性評價報告》[3](以下簡稱《安評》)的規(guī)定,選取抗震計算參數(shù)見表1。

表1 按“建規(guī)”計算的抗震設(shè)計參數(shù)表

PKPM-SATWE計算所得的結(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向平動周期,第二周期為結(jié)構(gòu)Y向平動周期,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款需采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。

表3 結(jié)構(gòu)抗震主要控制參數(shù)表

2.2 按彈性動力時程分析法進行多遇(E1)地震作用分析

本站按照《抗規(guī)》5.1.2條第3款要求進行多遇地震下的彈性動力時程分析。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,本站時程分析所用地震加速度時程的最大值取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)進行彈性動力時程分析。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)主要振型的周期點上相差不大于20%,滿足《抗規(guī)》第5.1.2條第3款中“多組時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)計意義上相符”的要求。彈性動力時程分析結(jié)果見表4。

由表4可見,3條地震波計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計算所得的底部剪力的80%,且每條地震波計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力與振型分解反應(yīng)譜法計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。按彈性動力時程分析所得的結(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,彈性動力時程分析結(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)彈性動力時程分析結(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 彈塑性動力時程分析

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)定進行彈塑性變形分析?，F(xiàn)采用彈塑性動力時程分析方法對本站結(jié)構(gòu)進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,本站時程分析所用地震加速度時程的最大值取220 cm/s2。地震波時程曲線選用與多遇地震時程分析對應(yīng)的3條地震波,按三向輸入進行計算,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向為地震作用為主方向進行彈塑性動力時程分析,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)計規(guī)范(GB 50909—2014)》[5](以下簡稱《城軌抗規(guī)》)第5.4.3條,當用于彈塑性時程分析的地震波數(shù)量少于7條時,宜取時程法計算結(jié)果與反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值。現(xiàn)按照此條規(guī)定,對本站結(jié)構(gòu)進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,同時也小于彈塑性時程分析結(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,同時也小于彈塑性時程分析結(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抗震性能分析和專項論證,可以得出以下三點結(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)計時應(yīng)適當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)計應(yīng)分別按“建規(guī)”和“鐵規(guī)”兩套規(guī)范體系進行多遇地震作用下的強度驗算和罕遇地震作用下的性能分析,并應(yīng)進行抗震專項論證,得到滿足相應(yīng)規(guī)范和規(guī)程要求的計算結(jié)果后才能用于施工圖設(shè)計。

[1] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標準[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報告[R].寧波：寧波市軌道交通集團有限公司,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] 同濟大學(xué)，天津市地下鐵道集團有限公司.GB 50909—2014城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范[S]. 北京:中國計劃出版社,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)計工作。

U231+.4

A

1008-3707(2017)03-0017-04