王偉濤

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

引言

城市軌道交通車站在地面以上的稱之為高架車站，車站具有一般地面建筑的特征和交通建筑的形態(tài)。其作為城市主要的交通網(wǎng)，承擔(dān)著城市交通的主要功能[1]，其結(jié)構(gòu)自身荷載大，安全等級高，結(jié)構(gòu)抗震要求嚴(yán)格。因此高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞將直接影響軌道交通整體的質(zhì)量和安全。在現(xiàn)有的高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法是基于多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算，以此作為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件強(qiáng)度及變形設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，通過抗震等級對抗震措施及抗震構(gòu)造措施等系數(shù)調(diào)整，來實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)柱弱梁”等延性破壞，再通過罕遇地震作用下彈塑性位移角驗(yàn)算，來實(shí)現(xiàn)抗震基本的三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)[2]。

由于高架車站自身荷載大、長寬比高、豎向剛度不均勻、大開洞(樓扶梯洞口)等特點(diǎn)，在多遇地震作用下薄弱層補(bǔ)充驗(yàn)算、中震地震作用下結(jié)構(gòu)性能計(jì)算及罕遇地震作用或偶遇地震作用下結(jié)構(gòu)性能計(jì)算往往未能進(jìn)行；另一方面，真實(shí)地震對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用是動(dòng)態(tài)的、 隨機(jī)的和復(fù)雜的，采用靜力的方式考慮地震作用具有一定局限性[3]，不能真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)在地震作用下全生命周期的狀態(tài)。隨著抗震彈塑性分析、時(shí)程分析理論和計(jì)算軟件的日趨成熟，基于抗震性能化設(shè)計(jì)對于重大項(xiàng)目得以實(shí)現(xiàn)。可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性及震后可恢復(fù)功能等特點(diǎn)對結(jié)構(gòu)及構(gòu)件確定合理的性能化目標(biāo)及性能化指標(biāo)[4]。以此來實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)在不同設(shè)防烈度、場地條件、建筑重要性等條件下采取不同的性能目標(biāo)和抗震措施；以此來發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱層和薄弱構(gòu)件從而進(jìn)行加強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)具有更可靠的抗震性能。GB 50909-2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及GB5011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》明確了高架車站結(jié)構(gòu)性能等級和性能要求，但規(guī)范并未給出相關(guān)性能目標(biāo)的計(jì)算參數(shù)、驗(yàn)算指標(biāo)、操作思路和計(jì)算方法[5]。

針對西安軌道交通5號線高架車站結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)，對結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在不同性能目標(biāo)下明確設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)，采用地震反應(yīng)譜分析、彈性時(shí)程分析、靜力彈塑性分析及動(dòng)力彈塑性分析進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，從中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的不足，為同類型工程設(shè)計(jì)的具體操作思路和計(jì)算方法提供借鑒和參考。

1 工程概況

西安軌道交通5號線高架車站結(jié)構(gòu)采用“橋建合一”結(jié)構(gòu)體系(雙墩柱托四柱的框架結(jié)構(gòu))，軌道結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的連接采用剛接形式，其建筑效果見圖1。車站總長118 m，車站主體寬21.6 m，站臺寬11.8 m?？v向柱網(wǎng)為13 m，橫向雙柱軸距為10.8 m，蓋梁懸臂4.9 m，布置于路側(cè)，站臺層雨棚采用鋼結(jié)構(gòu)。地面層雙墩柱截面為2.2 m×2.0 m，站廳層四柱截面為邊柱1.0 m×1.0 m，中柱截面為1.1 m×1.1 m；站臺層柱截面為0.5 m×0.5 m，其車站典型橫剖面見圖2。

圖1 高架車站主體結(jié)構(gòu)及雨棚整體效果圖

圖2 高架車站典型橫剖面(單位：mm)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)取值、性能化目標(biāo)及地震波選取

在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，取值的合理性將直接影響結(jié)構(gòu)的安全性、使用性和經(jīng)濟(jì)性。高架車站在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮的荷載有：結(jié)構(gòu)自重、恒荷載、列車荷載、地震作用、人群荷載、溫度效應(yīng)、風(fēng)荷載和雪荷載等。

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年[6]，車站的抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，耐久性為100年，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。

(1)列車荷載[7]：本工程采用B型車，軸重P=140 kN，6B編組，采用MIDAS-CIVIL模型對于移動(dòng)荷載工況施加進(jìn)行計(jì)算，采用SATWE/YJK模型按照有限元軟件梁彎矩及剪力包絡(luò)等效取線荷載施加進(jìn)行計(jì)算[8-9]，對于承受其他相關(guān)的列車荷載按照文獻(xiàn)[7]取值。

(2)地震作用：西安市抗震設(shè)防烈度為8度，基本地震加速度值0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值Tg=0.40 s。根據(jù)GB5011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及CECS160:2004《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則》可以得到，設(shè)計(jì)使用年限為100年時(shí)結(jié)構(gòu)的地震作用其調(diào)整系數(shù)范圍取1.3～1.4，因此取αmax=0.224；根據(jù)GB50909—2014《城市軌道交通抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》E1地震作用αmax=0.1×2.5=0.25取值，綜上所述αmax=0.25。

(3)其他荷載：人群荷載[7]、基本風(fēng)壓、基本雪壓、溫度效應(yīng)等按照GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值。

2.2 性能化目標(biāo)

根據(jù)GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》地震動(dòng)水準(zhǔn)E1、E2、E3確定抗震性能要求。

(1)性能要求Ⅰ：地震后不破壞或輕微破壞，應(yīng)能夠保持其正常使用功能；結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段；不應(yīng)因結(jié)構(gòu)的變形導(dǎo)致軌道的過大變形而影響行車安全。

(2)性能要求Ⅱ：地震后可能破壞，經(jīng)修補(bǔ)，短期內(nèi)應(yīng)能恢復(fù)其正常使用功能；結(jié)構(gòu)局部進(jìn)入彈塑性工作階段。

(3)性能要求Ⅲ：地震后可能產(chǎn)生較大破壞，但不應(yīng)出現(xiàn)局部或整體倒毀，結(jié)構(gòu)處于彈塑性工作階段。

根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性及可靠性要求，定義轉(zhuǎn)換柱、轉(zhuǎn)換梁為關(guān)鍵構(gòu)件，除轉(zhuǎn)換柱外的豎向構(gòu)件為普通豎向構(gòu)件，框架梁為耗能構(gòu)件。按照結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能要求[10-11]，根據(jù)GB5011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》小震、中震、大震下確定各構(gòu)件抗震性能水準(zhǔn)見表1。在模型計(jì)算時(shí)對結(jié)構(gòu)及構(gòu)件按性能水準(zhǔn)進(jìn)行具體定義，結(jié)構(gòu)及構(gòu)件應(yīng)按各性能水準(zhǔn)滿足規(guī)范要求的計(jì)算結(jié)果包絡(luò)確定最終的布置、截面及配筋等[2]。

表1 各構(gòu)件抗震性能水準(zhǔn)

2.3 地震波

地震波應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程曲線，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3，多組時(shí)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(jì)意義上相符[2]。

(1)所謂“在統(tǒng)計(jì)意義上相符”指的是，多組時(shí)程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差≯20%。

(2)計(jì)算結(jié)果在結(jié)構(gòu)主方向的平均底部剪力一般不會(huì)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，平均≯120%。

(3)每條地震波輸入的計(jì)算結(jié)果不會(huì)小于65%。從工程角度考慮，這樣可以保證時(shí)程分析結(jié)果滿足最低安全要求。但計(jì)算結(jié)果也不能太大，每條地震波輸入計(jì)算≯135%。

3 結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)

根據(jù)高架車站建筑方案要求，分別采用有限元軟件MIDAS-CIVIL和彈性及彈塑性分析軟件 PKPM-SATWE和YJK建模進(jìn)行計(jì)算，模型如圖3、圖4所示。

圖3 雙墩柱車站MIDAS模型

圖4 雙墩柱車站SATWE/YJK模型

3.1 小震作用下彈性計(jì)算

對于高架車站結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)既不是典型的橋類，也不是典型的建筑結(jié)構(gòu)類，彈性設(shè)計(jì)必須綜合橋與建筑結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算方法[12]，同時(shí)綜合性的選擇兩種規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用偏于橋梁軟件 CIVIL和偏于建筑結(jié)構(gòu)軟件SATWE進(jìn)行對比分析。結(jié)構(gòu)在兩種軟件小震作用下反應(yīng)譜計(jì)算分析見表2。

表2 結(jié)構(gòu)在小震作用下彈性計(jì)算分析對比結(jié)果

從表2可以得出兩種軟件的計(jì)算結(jié)果接近，有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%，計(jì)算振型數(shù)足夠；結(jié)構(gòu)周期比、層間位移角，最大位移比及縱橫橋向位移均滿足規(guī)范限值的要求。表明計(jì)算結(jié)果合理可信，可以作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.2 小震作用下彈性時(shí)程補(bǔ)充計(jì)算

對于高架車站結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則、豎向構(gòu)件不連續(xù)、樓面大開洞不規(guī)則(站臺層樓扶梯洞口)，需進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析法補(bǔ)充計(jì)算[2]；根據(jù)彈性時(shí)程分析結(jié)果初步分析結(jié)構(gòu)的薄弱部位，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)調(diào)整。

選用的地震波共7條，包括多遇地震下的5組實(shí)際地震記錄及2組場地合成人工波，7條地震波的頻譜特性、有效峰值、持續(xù)時(shí)間等地震動(dòng)三要素均符合要求，地震波滿足選波的要求。采用小震彈性時(shí)程分析軟件YJK進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 基底最大總剪力及最大層間位移角

由表3結(jié)果可看出：

(1)高架車站結(jié)構(gòu)各條地震波的底部剪力均≮反應(yīng)譜法的65%且≯135%，7條地震波的底部剪力平均值不小于反應(yīng)譜法的80%且≯120%，滿足規(guī)范[2]5.1.2條的要求，最大位移角滿足規(guī)范限值1/550的要求；

(2)由彈性時(shí)程結(jié)果與規(guī)范反應(yīng)譜結(jié)果對比可知，7條地震波彈性時(shí)程分析的剪力平均值與反應(yīng)譜分析結(jié)果接近，部分選定的地震波作用下的基底剪力值略大于反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)可將該范圍樓層最大剪力放大相應(yīng)倍數(shù)進(jìn)行構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)，使其能包絡(luò)時(shí)程分析的結(jié)果。

3.3 設(shè)防烈度地震作用下的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

城市軌道高架車站屬于重點(diǎn)設(shè)防、100年設(shè)計(jì)使用年限的重要性建筑，且設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施的調(diào)整不能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，應(yīng)按中震彈性進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[12]，其材料強(qiáng)度采用設(shè)計(jì)值，不考慮剪重比、薄弱層、0.2V0(V0為結(jié)構(gòu)底層總剪力)調(diào)整等地震力調(diào)整，考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)，考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)[13]。這就使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件既在中震作用下處于彈性狀態(tài)，又從一定程度上保留了結(jié)構(gòu)的安全度和可靠度[14]。采用中震彈性時(shí)程分析軟件YJK進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)參數(shù)見表4，計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 中震性能設(shè)計(jì)參數(shù)

表5 中震主要計(jì)算結(jié)果

結(jié)果表明，高架車站結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)基底剪力為多遇地震基底剪力的比值，約為2.85倍[13]，地震作用量級合理。在中震作用下，高架車站豎向結(jié)構(gòu)位移角滿足文獻(xiàn)[15]1/250 rad限值要求。關(guān)鍵構(gòu)件、一般豎向構(gòu)件及水平耗能構(gòu)件均可控不超限(結(jié)構(gòu)未超筋)。轉(zhuǎn)換部分結(jié)構(gòu)總體能滿足“無損壞”要求；轉(zhuǎn)換層以上結(jié)構(gòu)總體能滿足“輕微損壞”要求。

3.4 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性驗(yàn)算及動(dòng)力彈塑性驗(yàn)算

高架車站結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的驗(yàn)算常為彈塑性位移角的驗(yàn)算，未能真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的各種響應(yīng)、結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的先后次序、結(jié)構(gòu)整體進(jìn)入塑性的程度[16]，以及結(jié)構(gòu)的薄弱部位和薄弱構(gòu)件。當(dāng)按大震不屈服進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性設(shè)計(jì)時(shí)，其材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮剪重比、薄弱層、0.2V0調(diào)整等地震力調(diào)整，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)，不考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)。采用YJK編制的Pushover Analysis進(jìn)行大震下靜力彈塑性分析，采用中國建筑科學(xué)院編制的PKPM-SAUSAGE軟件進(jìn)行大震下動(dòng)力彈塑性分析[17]，設(shè)計(jì)參數(shù)見表6。本結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下彈塑性時(shí)程分析選取1條人工波和2條天然波。

表6 大震性能設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)大震作用下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析

高架車站結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析[18]能力曲線見圖5～圖6，結(jié)構(gòu)最大層間位移角見圖7、圖8，結(jié)構(gòu)在大震作用下的靜力彈塑結(jié)果見表7。

圖5 X方向能力曲線

圖6 Y方向能力曲線

圖7 X方向最大層間位移角

圖8 Y方向最大層間位移角

(2)大震作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析

本結(jié)構(gòu)在罕遇地震時(shí)程分析時(shí)選取1條人工波和2條天然波，地震波選取滿足選波的要求。

①人工波：RH1TG045。

②天然波：TH001TG045_CAPE_MENDOCINO_4-25-1992_FORTUNA_-_FORTUNA_BLVD。

表7 大震主要計(jì)算結(jié)果

③天然波：TH022TG045_CHUETSU-OKI_7-16-2007_NAGAOKA_KOUITI_TOWN。

各地震波[19]反應(yīng)譜曲線和主次方向時(shí)程曲線變化如圖9所示。

圖9 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范譜曲線

高架車站結(jié)構(gòu)在大震作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析[20]結(jié)構(gòu)損傷見圖10，各工況下的基底剪力對比見表8，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移及最大層間位移角見表9。

圖10 結(jié)構(gòu)損傷云圖

表8 動(dòng)力彈塑性各工況下的基底剪力對比

表9 動(dòng)力彈塑性位移及位移角結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過結(jié)構(gòu)在大震作用下的彈塑性分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能分析可得出如下結(jié)論。

(1)罕遇地震作用下靜力彈塑性分析時(shí)，由計(jì)算結(jié)果可知罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力與多遇地震基底剪力的比值為4.9倍，地震作用量級合理；由能力曲線圖可知譜曲線與需求譜曲線交于能力譜的直線部位，表明結(jié)構(gòu)抗震性能良好。

(2)罕遇地震作用下靜力彈塑性分析時(shí)，需求點(diǎn)對應(yīng)的加載步下各層的X向?qū)娱g位移角和Y向?qū)娱g位移角均小于1/50 rad，滿足規(guī)范限值要求。

(3)罕遇地震作用下動(dòng)力彈塑性分析時(shí)，結(jié)構(gòu)基底剪力為多遇地震基底剪力的2.5～5倍[21]，地震作用量級合理；各工況動(dòng)力彈塑性位移角均滿足規(guī)范罕遇地震下層間位移角1/50 rad的限值要求。

(4)根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷云圖可知，墩柱底輕微損壞已進(jìn)入塑性階段，框架結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件(關(guān)鍵構(gòu)件)大部分輕微損壞，局部輕度損壞，轉(zhuǎn)換構(gòu)件(關(guān)鍵構(gòu)件)大部分均為輕微損壞，框架梁(耗能構(gòu)件)基本為輕度損壞，基本滿足性能目標(biāo)的要求。但是局部轉(zhuǎn)換梁(邊梁)由于承受區(qū)間橋梁荷載較大重度損傷，應(yīng)對其局部不滿足要求的構(gòu)件通過調(diào)整截面或配筋，直至滿足要求。

4 結(jié)論

(1)采用不同單位編制的不同力學(xué)模型軟件MIDAS-CIVIL和PKPM-SATWE分別對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震下彈性計(jì)算分析，結(jié)果表明計(jì)算結(jié)果吻合較好，可作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

(2)根據(jù)選定的性能目標(biāo)，確定抗震性能水準(zhǔn)；對中震、大震下的抗震設(shè)計(jì)定義參數(shù)，采用軟件分別對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震、中震、大震下的性能水準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算；指出工程設(shè)計(jì)的具體操作思路和計(jì)算方法，結(jié)構(gòu)在中震地震作用下滿足性能水準(zhǔn)的要求。

(3)高架車站結(jié)構(gòu)分別采用YJK和PKPM-SAUSAGE軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性和動(dòng)力彈塑性分析，評價(jià)結(jié)構(gòu)的抗震性能，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)能否滿足大震下性能水準(zhǔn)要求，掌握結(jié)構(gòu)大震下?lián)p傷情況，對存在的薄弱部位構(gòu)件采取針對性加強(qiáng)措施。

(4)通過對高架車站抗震三水準(zhǔn)的計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)全生命周期內(nèi)地震分析，對重要構(gòu)件及結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，對存在的不利結(jié)果進(jìn)行加強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)具有更可靠的抗震性能，為以后高架車站結(jié)構(gòu)同類型工程設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。