張 何

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063)

1 工程概述

武漢軌道交通21號線西起江岸區(qū)后湖大道站，東至新洲區(qū)金臺站，全長35km，全線采用A型車6節(jié)編組，全線共設(shè)車站15座，其中地下站5座，高架站10座。高架車站中有2座車站采用四柱落地的框架結(jié)構(gòu)，其余8座標(biāo)準(zhǔn)車站受限于邊界條件及場地等控制因素均采用“開”字形雙柱雙懸挑的結(jié)構(gòu)形式并設(shè)置于11m寬的路中綠化帶內(nèi)，如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)車站共分為3層，其中一層為架空層，二層為站廳層，三層為站臺層，車站總長142.8m,車站總寬23.6m，縱向主要柱距12m，橫向柱距7m，標(biāo)準(zhǔn)車站橫斷面如圖2所示。墩柱上部為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土“開”型蓋梁，站廳層、承軌層及站臺層通過支承在“開”型蓋梁上立柱形成鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。由于行車部分的軌道梁與車站框架橫梁剛接，車站部分建筑結(jié)構(gòu)與車站橋梁結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起共同受力，因此車站是“橋-建合一”式車站。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)車站效果圖

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[1]第6.1.5條規(guī)定甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)。高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)。該線標(biāo)準(zhǔn)車站雖不屬于房屋結(jié)構(gòu)且高度不超過24m，但標(biāo)準(zhǔn)站橫向均為“開”字形單跨框架結(jié)構(gòu)，其抗側(cè)剛度小，耗能能力弱，結(jié)構(gòu)冗余度小[2-4]，在遭遇強(qiáng)烈地震時，很容易由于單個豎向構(gòu)件發(fā)生破壞繼而引發(fā)結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌，因此，標(biāo)準(zhǔn)站的抗震性能極其重要?；?，筆者將以標(biāo)準(zhǔn)車站中的武湖大道站為例，對其分別進(jìn)行各地震動水準(zhǔn)作用下的彈性及彈塑性分析。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)車站典型橫斷面

2 車站抗震性能目標(biāo)及性能水準(zhǔn)

由于車站采用“橋-建合一”的框架結(jié)構(gòu)，從功能而言是房屋建筑，從受力特點(diǎn)來看又不同于房屋建筑而接近于橋梁，因此該工程高架車站多遇地震E1作用下，性能要求Ⅰ結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗算分別按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》[5]的規(guī)定進(jìn)行。設(shè)防地震E2、罕遇地震E3作用下，性能要求Ⅱ、Ⅲ的變形、位移驗算按《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》[6]第7章的規(guī)定進(jìn)行。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能等級分三級，如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能等級劃分表

結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件性能等級關(guān)系，如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)整體性能等級劃分表

結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

3 車站抗震計算分析

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[7]和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，并依據(jù)《武漢市軌道交通21號線工程場地地震安全性評價報告》[8]，確定該站的抗震計算參數(shù)如表4所示。

表4 車站抗震計算參數(shù)表

3.1 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈性反應(yīng)譜分析

3.1.1按“建規(guī)”分析

運(yùn)用PKPM軟件建立車站空間整體模型如圖3所示。

圖3 車站PKPM三維整體模型

項 目計算結(jié)果規(guī) 范 限 值基本周期0.61s最大軸壓比0.33抗震規(guī)范(6.3.6)條,三級框架柱軸壓比限值:0.85最小剪重比2.24%抗震規(guī)范(5.2.5)條,樓層最小剪重比限值:0.8%最小側(cè)向剛度比0.69抗震規(guī)范(3.4.4)條,薄弱層地震剪力增大系數(shù)= 1.25底層最大彈性層間位移角1/1417抗震規(guī)范(5.5.1)條,框架結(jié)構(gòu):1/550位移比(最大彈性水平位移與層平均位移、最大彈性層間位移與平均層間位移的比值)1.21抗震規(guī)范(3.4.2)條,大于1.2時結(jié)構(gòu)為平面不規(guī)則剛重比X向97.6Y向131.91. 剛重比>10,能夠通過高規(guī)(5.4.4)條的整體穩(wěn)定驗算2. 剛重比>20,可以不考慮重力二階效應(yīng)底層最大彈塑性層間位移角1/284對全樓采用強(qiáng)制剛性樓板假定抗震規(guī)范(5.5.5)條框架結(jié)構(gòu):1/50周期比0.811高規(guī)(3.4.5)條,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1之比,A級高度建筑不應(yīng)大于0.9墩頂最大橫向位移9.722Δ≤4L墩頂最大縱向位移9.942Δ≤5L

根據(jù)表5可知：結(jié)構(gòu)前兩階振型為平動，第三階為扭轉(zhuǎn)，振型合理，第一周期大于場地特征周期0.35s，結(jié)構(gòu)不會在地震作用下發(fā)生顯著的共振效應(yīng)；結(jié)構(gòu)周期比、位移比、軸壓比、剪重比及層間位移角的量值均滿足規(guī)范要求；所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性階段。

3.1.2按“橋規(guī)”分析

采用Midas/Civil 2013軟件建立空間桿系模型，如圖4所示，主體結(jié)構(gòu)采用空間梁、板單元模擬，地基土對基礎(chǔ)樁、承臺的作用利用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬。

圖4 車站Midas三維整體模型

根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》，“橋梁抗震驗算的荷載，應(yīng)采用地震作用與恒載和活載進(jìn)行最不利組合”。該工程分別考慮地震作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算按順橋向、橫橋向及有無車四種工況分別計算。并根據(jù)《鐵路橋涵混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[9]容許應(yīng)力法進(jìn)行截面配筋驗算，驗算結(jié)果如表6所示。

表6 容許應(yīng)力法驗算簡表

綜上，在多遇地震(E1地震)作用下，結(jié)構(gòu)所有豎向構(gòu)件及框架梁全部保持彈性，沒有結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)。全部構(gòu)件的抗震承載力、各項水平位移限值和舒適度滿足“建規(guī)”及“橋規(guī)”有關(guān)要求。結(jié)構(gòu)抗震性能能夠滿足性能要求I，結(jié)構(gòu)一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用。

3.2 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析

3.2.1按“建規(guī)”分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第5.5.3條第2款的規(guī)定，對本站進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性時程分析，三向輸入地震波，地震波選取TH1TG055和TH1TG065兩條天然地震波及一條人工地震波，人工地震波由該工程地震安評單位(武漢地震工程研究院提供)，按50年超越概率2%選擇)，計算得到地震波主方向分為X向及Y向時結(jié)構(gòu)最大樓層位移、最大層間位移角如表7所示。

表7 彈塑性層間位移角

該站在罕遇地震下，最大層間位移角發(fā)生在站廳層為1/284，小于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第5.5.5條規(guī)定的1/50，滿足要求。

3.2.2按“橋規(guī)”分析

罕遇地震下，選擇安評報告提供的50年超越概率2%的3組地震加速度波進(jìn)行計算，分別取X、Y向計算結(jié)果的最大值，如圖5～圖6所示。X、Y向罕遇地震作用下墩柱的非線性位移延性比最大值分別為2.37和1.79，均小于《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》中第7.3.3條4.8的容許值。

圖5 罕遇地震X向作用下柱墩D/D1計算結(jié)果

圖6 罕遇地震Y向作用下柱墩D/D1計算結(jié)果

綜上，在罕遇地震(E3地震)作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角小于“建規(guī)”容許限值，大部分墩柱雖進(jìn)入塑性狀態(tài)，但延性比均小于“橋規(guī)”有關(guān)要求，結(jié)構(gòu)具有較好的延性。結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)能夠滿足性能要求III，即使可能產(chǎn)生較大破壞，但不會出現(xiàn)局部或整體倒毀。

4 結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施

該工程為抗震設(shè)防乙類的建筑結(jié)構(gòu)，設(shè)計使用年限100年。其結(jié)構(gòu)設(shè)計除滿足計算要求及抗震構(gòu)造的基本要求外，根據(jù)抗震性能目標(biāo)分析結(jié)果，擬采取以下抗震加強(qiáng)措施。

4.1 行車相關(guān)構(gòu)件構(gòu)造措施

(1)與行車有關(guān)的構(gòu)件按《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》第8.4條以及《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(第7.3.2條、7.5.14條，墩柱箍筋全高加密，箍筋直徑選用10以上；配箍率不低于主筋配筋率的1/4，且不低于0.3%，箍筋肢距不大于200mm；矩形箍筋端部布有135°彎鉤，彎鉤的直段長度不小于200mm；墩柱箍筋延伸到蓋梁和承臺的另一側(cè)面。

(2)按《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》第7.5.17條第2款，承臺采用六面配筋，頂面鋼筋直徑應(yīng)小于16、間距不應(yīng)大于150mm。

(3)按《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》第7.5.17條第3款，鉆孔灌注樁樁頭5倍樁徑范圍箍筋間距不大于100mm，直徑不小于10mm，樁身的縱向鋼筋配筋率不小于0.65%，邊跨墩柱下樁縱筋通長配置，嵌巖樁或者端承樁通長配筋。

4.2 民建構(gòu)件抗震構(gòu)造措施

(1)框支柱、框支梁抗震等級為二級。

(2)框架柱縱筋配筋率中柱及邊柱不小于1.0%(規(guī)范最小配筋率為0.8%)，角柱不小于1.2%(規(guī)范最小配筋率為0.95%)。

(3)底部設(shè)備層頂板處樓板厚250mm，采用雙層雙向配筋，且每個方向的配筋率不小于0.25%。其余樓層加強(qiáng)樓板配筋構(gòu)造。結(jié)構(gòu)樓板局部開洞，采取設(shè)置拉梁等加強(qiáng)措施。

(4)在罕遇地震作用下塑性鉸相對比較集中區(qū)域，加強(qiáng)該區(qū)域框架梁抗剪能力和底部抗彎能力。

5 結(jié)語

本文針對具體工程案例，對“橋-建合一”的框架結(jié)構(gòu)高架車站進(jìn)行“小震、中震、大震”作用下的分析研究，主要橋梁構(gòu)件和房建構(gòu)件性能等級和結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)均滿足規(guī)范要求，通過增加關(guān)鍵構(gòu)件的配筋率、控制最小鋼筋直徑和提高構(gòu)件抗震等級等一系列構(gòu)造措施進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。今后對“橋-建合一”的框架結(jié)構(gòu)高架車站由于行車振動引起的舒適性分析，還需要進(jìn)一步深入研究。