康亞強(qiáng)

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 工程概況

杭州南站位于浙江省杭州市蕭山區(qū)城廂鎮(zhèn)既有蕭山火車站區(qū)域，是杭長、杭甬客運(yùn)專線的中間站，也是杭州市重大基礎(chǔ)項(xiàng)目之一。以杭長、杭甬客運(yùn)專線引入杭州南站為契機(jī)，將地鐵5號線和11號線也引入杭州南站，并配合進(jìn)行周邊道路改造，形成集國鐵、地鐵、公交、長途、出租等交通方式為一體的現(xiàn)代化中型客運(yùn)交通樞紐。

杭州南站總建筑面積為46 973 m2，最高聚集人數(shù)為2 000人。車站共有三層：地上二層，地下一層。地上二層為高架層，主要為高架候車廳、高架進(jìn)站匝道及落客平臺；站臺層中間為地面進(jìn)站廳，東、西側(cè)式站房一側(cè)設(shè)售票廳，另一側(cè)設(shè)貴賓廳；夾層設(shè)車站辦公、電力、通信、信息設(shè)備用房，中間車場設(shè)7個(gè)站臺。東、西側(cè)式站房中部為進(jìn)站安檢區(qū)，與高架旅客步行平臺相連，兩側(cè)為VIP候車室，上部夾層為設(shè)備管廊；地下一層主要為出站地道及地下通廊，通廊東西兩側(cè)為地下出站廳及市政廣場地下空間(見圖1～圖2)[1]。

圖1 支承高架層混凝土柱

圖2 支承屋蓋空間十字形鋼柱

2 研究目的

自1968年Ronan Point公寓因煤氣爆炸而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌事故之后，結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌問題引起了很多專家及學(xué)者的關(guān)注[2-3]，特別是在1995年美國聯(lián)邦政府辦公樓倒塌[4]及2001年紐約世貿(mào)雙塔倒塌事故[5-6]后，結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌問題得到了工程界的普遍重視。結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌是指由于結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的損壞，引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件連續(xù)性的破壞，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的大部分或整體發(fā)生坍塌[7]。

造成結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的原因很多，如施工工藝不當(dāng)、設(shè)計(jì)不合理、撞擊荷載、爆炸荷載、地震作用和結(jié)構(gòu)材料性能不合格等?？迪杞艿萚8]對車站雨棚結(jié)構(gòu)受高鐵列車撞擊進(jìn)行仿真分析。Eibl J.等[9]針對混凝土梁與混凝土柱遭受意外撞擊進(jìn)行理論分析及試驗(yàn)研究。Rind H.L.等[10]采用有限元分析意外撞擊下混凝土結(jié)構(gòu)的破壞情況。

3 防連續(xù)倒塌分析方法

目前，國外主要的一些規(guī)范(英國的British Standard[11]、歐洲Euro Code 1[12]、美國GSA2003[13]及DoD2005[14])均有關(guān)于防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定。

我國現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)[15]提出了防結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)原則。重要結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)有三種方法：局部加強(qiáng)法、拉結(jié)構(gòu)件法、拆除構(gòu)件法。

(1)局部加強(qiáng)法

首先確定結(jié)構(gòu)的豎向重要構(gòu)件及關(guān)鍵的傳力部位，通過提高這些構(gòu)件的安全儲(chǔ)備來降低結(jié)構(gòu)遭受爆炸或撞擊等偶然作用下發(fā)生連續(xù)倒塌的概率。

(2)拉結(jié)構(gòu)件法

主要分析局部豎向桿件損壞時(shí)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性、延性和冗余度，按梁-拉結(jié)等模型驗(yàn)算其承載力，保證結(jié)構(gòu)的整體性，降低結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的可能性。

(3)拆除構(gòu)件法

亦稱備用荷載路徑設(shè)計(jì)法，是指將初始破壞的豎向構(gòu)件拆除(此時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)力重分布)，評估剩余結(jié)構(gòu)的跨越能力，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)發(fā)生大范圍連續(xù)倒塌的可能性。

本次杭州南站結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌分析采用拆除構(gòu)件法，考慮材料及幾何非線性，具體參數(shù)設(shè)置如下：

①按GSA2003指南[12]規(guī)定的線性動(dòng)力分析法的加載工況，施加于結(jié)構(gòu)的荷載組合為“恒載+0.25活載”。首先對原整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性靜力分析，求得拆除豎向構(gòu)件的內(nèi)力值；再拆除關(guān)鍵的豎向構(gòu)件，在拆除構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)處施加節(jié)點(diǎn)反力并定義相關(guān)的時(shí)程函數(shù)(荷載時(shí)程函數(shù)需反復(fù)試算確定)；最后進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析。

②在鋼筋混凝土框架梁的兩端及中部分別設(shè)置彎矩塑性鉸；在鋼筋混凝土框架柱兩端設(shè)置軸力與彎矩耦合的塑性鉸；在十字形鋼柱的兩端設(shè)置纖維鉸；在鋼桁架的構(gòu)件中部設(shè)置軸力鉸。

③按瑞利阻尼進(jìn)行設(shè)置，恒定阻尼比為0.05。

④根據(jù)杭州南站結(jié)構(gòu)模型，考慮幾何非線性及重力二階效應(yīng)，調(diào)試非線性參數(shù)，進(jìn)行非線性動(dòng)力分析。

4 結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的破壞準(zhǔn)則

按GSA2003指南[13]進(jìn)行非線性動(dòng)力分析時(shí)，一般根據(jù)結(jié)構(gòu)的延性和關(guān)鍵構(gòu)件拆除后其余構(gòu)件的變形值判斷整體結(jié)構(gòu)是否發(fā)生連續(xù)倒塌。因此，采用變形準(zhǔn)則來判定鋼筋混凝土框架構(gòu)件是否最終失效?？紤]到杭州南站站房屬于安全度要求較高的建筑，構(gòu)件失效準(zhǔn)則定義如下：鋼筋混凝土梁最終轉(zhuǎn)角值超過6°時(shí)，認(rèn)為該構(gòu)件失去承載能力，將發(fā)生連續(xù)倒塌，即判斷結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的臨界轉(zhuǎn)角值為6°。

5 關(guān)鍵構(gòu)件失效后結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)

關(guān)鍵構(gòu)件失效后，結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力分析計(jì)算過程如下：

①進(jìn)行完好整體結(jié)構(gòu)線性靜力分析，確定結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的內(nèi)力。

②拆除相應(yīng)關(guān)鍵構(gòu)件，將相應(yīng)反力施加在節(jié)點(diǎn)上。

③定義荷載時(shí)程函數(shù)，經(jīng)過多次試算，保證荷載時(shí)程函數(shù)能夠真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的過程。整體結(jié)構(gòu)荷載函數(shù)如圖3(a)，節(jié)點(diǎn)反力時(shí)程函數(shù)如圖3(b)。

④進(jìn)行非線性動(dòng)力分析及結(jié)果查看。

圖3 非線性動(dòng)力分析結(jié)構(gòu)加載時(shí)程函數(shù)

6 關(guān)鍵構(gòu)件選取及結(jié)果分析

所選取的構(gòu)件為股道間支撐跨度較大的樓面或屋面的關(guān)鍵框架柱。這些框架柱可能因列車撞擊而破壞，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌。防倒塌分析按拆除以下4組指定構(gòu)件進(jìn)行。

6.1 拆除型鋼混凝土柱(所在單元：4992和4981)

圖4為指定構(gòu)件位置及反力加載示意。圖5為拆除構(gòu)件前后非線性動(dòng)力分析時(shí)程示意。其中，0～5 s為靜力加載階段，5～6 s為靜力平衡階段，6 s時(shí)瞬間拆除指定構(gòu)件，此后為結(jié)構(gòu)振蕩階段。圖6為典型時(shí)間點(diǎn)結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布。拆除構(gòu)件之前主體結(jié)構(gòu)基本未進(jìn)入塑性狀態(tài)，拆除指定構(gòu)件之后，由該構(gòu)件支撐的梁產(chǎn)生塑性鉸，但結(jié)構(gòu)破壞并不嚴(yán)重，未完全失去承載能力(屋架也具有良好的承載能力)。由圖5可知，拆除柱后，節(jié)點(diǎn)的殘余豎向位移為40 mm，框架梁的塑性轉(zhuǎn)角為0.25°，遠(yuǎn)小于判別準(zhǔn)則中6°的臨界角。因此，拆除結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件后，不會(huì)發(fā)生連續(xù)倒塌。

圖4 拆除單元位置及反力加載(一)

圖5 拆除桿件節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程(一)

圖6 典型時(shí)間點(diǎn)結(jié)構(gòu)塑性鉸分布(一)

6.2 拆除型鋼混凝土柱(所在單元：4984和4901)

圖7 拆除單元位置及反力加載(二)

圖8 拆除桿件節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程(二)

圖9 典型時(shí)間點(diǎn)結(jié)構(gòu)塑性鉸分布(二)

圖7為指定構(gòu)件位置及反力加載示意。圖8為拆除構(gòu)件前后的非線性動(dòng)力分析時(shí)程示意。其中，0～5 s為靜力加載階段，5～6 s為靜力平衡階段，6 s時(shí)瞬間拆除指定構(gòu)件，此后為結(jié)構(gòu)振蕩階段。圖9為典型時(shí)間點(diǎn)結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布。拆除構(gòu)件之前主體結(jié)構(gòu)未進(jìn)入塑性；拆除指定構(gòu)件后，該柱支撐的梁產(chǎn)生塑性鉸，同時(shí)屋架有部分桿件進(jìn)入塑性，但數(shù)量不多。結(jié)構(gòu)振蕩過程中，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，在指定構(gòu)件較遠(yuǎn)處，部分構(gòu)件產(chǎn)生塑性鉸，且屋架的塑性鉸也逐漸增多。由圖8可知，拆除柱后節(jié)點(diǎn)豎向位移為113 mm，該框架梁的塑性轉(zhuǎn)角為0.72°，遠(yuǎn)小于倒塌臨界塑性轉(zhuǎn)角6°。因此，拆除結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件后，不會(huì)發(fā)生連續(xù)倒塌。

6.3 拆除鋼柱(所在單元：79618)

圖10 拆除單元位置及反力加載(三)

圖11 拆除桿件節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程(三)

圖12 典型時(shí)間點(diǎn)結(jié)構(gòu)塑性鉸分布(三)

圖10為指定構(gòu)件位置及反力加載示意。圖11為拆除構(gòu)件前后的非線性動(dòng)力分析時(shí)程示意。其中，0～5 s為靜力加載階段，5～6 s為靜力平衡階段，6 s時(shí)瞬間拆柱，此后為結(jié)構(gòu)振蕩階段。圖12為典型時(shí)間點(diǎn)結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布。由于屋架整體相對較柔，拆除構(gòu)件后以及結(jié)構(gòu)振蕩終止前，屋架僅有較少的桿件進(jìn)入塑性，且塑性發(fā)展程度較低，拆除指定構(gòu)件后，屋架仍具有良好的承載能力。

6.4 拆除鋼柱(指定構(gòu)件所在單元：79616)

圖13給出指定構(gòu)件位置及反力加載示意。圖14為拆除指定構(gòu)件前后的非線性動(dòng)力分析時(shí)程示意。其中，0～5 s為靜力加載階段，5～6 s為靜力平衡階段，6 s時(shí)瞬間拆柱，此后為結(jié)構(gòu)振蕩階段。圖15為典型時(shí)間點(diǎn)結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布。由于屋架整體相對較柔，拆除構(gòu)件后至結(jié)構(gòu)振蕩終止前，屋架僅有少量的桿件進(jìn)入塑性，且塑性發(fā)展程度較低。拆除指定構(gòu)件后，屋架仍具有良好的承載能力，與6.3節(jié)情況類似。

圖13 拆除單元位置及反力加載(四)

圖14 拆除桿件節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程(四)

圖15 典型時(shí)間點(diǎn)結(jié)構(gòu)塑性鉸分布(四)

7 結(jié)論

(1)股道間的型鋼混凝土柱失效之后，部分框架梁及屋蓋的部分桿件進(jìn)入塑性狀態(tài)，但塑性發(fā)展程度不高，且框架梁的塑性轉(zhuǎn)角在GSA2003指南[13]限值之內(nèi)，結(jié)構(gòu)仍具有一定的承載能力。

(2)股道間的鋼柱失效之后，屋蓋的部分桿件進(jìn)入塑性，但破壞輕微，對整體結(jié)構(gòu)影響很小。

(3)杭州南站站房結(jié)構(gòu)具有較好的冗余度及防止連續(xù)倒塌的能力。

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