劉 軼

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢430063）

0 引言

隨著各地市區(qū)內(nèi)的地鐵線路趨于完善，城市軌道交通建設(shè)有向城郊鐵路及城際鐵路發(fā)展的趨勢(shì)，高架車(chē)站建設(shè)量也隨之增大［1］。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為高架車(chē)站的主流結(jié)構(gòu)形式，車(chē)站結(jié)構(gòu)根據(jù)其與區(qū)間橋梁的結(jié)合關(guān)系可分為以下3種：①“橋建合一”的全現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，即列車(chē)荷載直接作用在框架結(jié)構(gòu)的樓板上；②“橋建分離”的橋梁型結(jié)構(gòu)，即行車(chē)部分作為區(qū)間橋梁的延伸與站臺(tái)結(jié)構(gòu)完全分離；③“橋建部分合一”的半分離式結(jié)構(gòu)，即采用橡膠墊、或者滑動(dòng)支座，將軌道梁簡(jiǎn)支于結(jié)構(gòu)的橫梁上［2］。

“橋建合一”的全現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)布置靈活、占用建筑高度較少、造價(jià)相對(duì)經(jīng)濟(jì)。雖然單跨框架結(jié)構(gòu)為抗震不利結(jié)構(gòu)，但為了減少對(duì)沿線車(chē)道的占用，“橋建合一”雙柱大懸挑結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為高架車(chē)站的一種主流結(jié)構(gòu)形式［3］。本文以城際高架線路的2 種車(chē)站類(lèi)型為例，對(duì)該類(lèi)建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供建議［4］。

1 工程概況

本工程分為高架段及地下段，全長(zhǎng)約17 km；地下段長(zhǎng)約為7.4 km，高架段長(zhǎng)約為9.5 km，全線總共設(shè)站8座，其中高架站4座，高架站中2個(gè)為雙柱島式車(chē)站、2個(gè)為雙柱側(cè)式車(chē)站。

雙柱島式車(chē)站站臺(tái)長(zhǎng)度為120 m，站臺(tái)寬度為11 m。站廳層采用橫向雙柱大懸挑結(jié)構(gòu)，橫向軸線尺寸為（6.2+7.0+6.2）m，縱向柱距為12 m。橫向帽梁為變截面梁尺寸為1.5 m×（1.5～2.4）m，中部縱向框架梁尺寸為0.6 m×1.5 m，邊部縱向框架梁尺寸為0.7 m×1.4 m，底部截面柱尺寸為2.2 m×1.7 m，見(jiàn)圖1?。

圖1 高架站斷面Fig.1 Sectional View of Elevated Station

雙柱側(cè)式車(chē)站站臺(tái)長(zhǎng)度為120 m，站臺(tái)寬度為7.6 m。站廳層采用橫向雙柱大懸挑結(jié)構(gòu)，橫向軸線尺寸為（7.7+7.0+7.7）m，縱向柱距為12 m。橫向帽梁為變截面梁尺寸為1.5 m×（1.5～2.4）m，中部縱向框架梁尺寸為0.6 m×1.5 m，邊部縱向框架梁尺寸為0.7 m×1.4 m，底部截面尺寸柱為1.5 m×1.7 m，見(jiàn)圖1?。

本工程島式及側(cè)式車(chē)站均為橫向單跨雙柱結(jié)構(gòu)體系。單跨框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度較小，結(jié)構(gòu)耗能能力較弱，結(jié)構(gòu)冗余度較小。在罕遇地震作用下，宜發(fā)生單個(gè)豎向構(gòu)件破壞所引發(fā)的結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外多次地震實(shí)踐也表明了這種特殊的單跨結(jié)構(gòu)體系對(duì)于抗震嚴(yán)重不利［5］。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010》［6］第6.1.5條表明單跨框架結(jié)構(gòu)不得應(yīng)用于甲、乙類(lèi)建筑?？紤]到車(chē)站的重要性及人員密集性，本工程定義為重點(diǎn)設(shè)防（乙類(lèi)），雖然按結(jié)構(gòu)高度不屬于高層建筑（混凝土結(jié)構(gòu)頂面高度15.24 m，鋼屋架頂面高度23.94 m），但單跨框架抗震性能較差，必須對(duì)抗震設(shè)計(jì)格外重視，實(shí)現(xiàn)其抗震性能目標(biāo)［7］。本文分別選取島式高架站和側(cè)式高架站進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)分析。

2 抗震設(shè)防目標(biāo)的確定

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50909—2014》［8］，本工程選用的地震重現(xiàn)期及抗震性能目標(biāo)如表1、表2所示。

表1 地震超越概率及重現(xiàn)期Tab.1 Seismic Transcendence Probability and Return Period

表2 抗震性能目標(biāo)Tab.2 Seismic Performance Objectives

3 抗震性能計(jì)算

3.1 抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)文獻(xiàn)［8］規(guī)定結(jié)合安評(píng)報(bào)告并參考文獻(xiàn)［6］相關(guān)條文后，確定本工程的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示。

表3 車(chē)站抗震計(jì)算參數(shù)Tab.3 Seismic Calculation Parameters of Station

3.2 多遇地震計(jì)算分析

對(duì)2 種車(chē)站結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性反應(yīng)譜法計(jì)算分析，得出計(jì)算結(jié)果如表4 所示。根據(jù)彈性計(jì)算結(jié)果可知：無(wú)論是島式還是側(cè)式車(chē)站，結(jié)構(gòu)在X向主軸方向及Y向主軸方向振動(dòng)形式基本一致，結(jié)構(gòu)的周期、振型等參數(shù)均在合理范圍內(nèi)；結(jié)構(gòu)所受地震作用與高度成正相關(guān)；有效質(zhì)量參與系數(shù)、樓層剪重比、位移角、位移比等指標(biāo)均滿足文獻(xiàn)［6］要求。在多遇地震作用下，車(chē)站結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性階段，車(chē)站轉(zhuǎn)換柱、框架梁及蓋梁的配筋率均在合理范圍，這與張何等人［9-10］的分析結(jié)果基本一致。

表4 多遇地震計(jì)算結(jié)果Tab.4 Frequent Earthquake Calculation Results

3.3 罕遇地震（大震）作用下的計(jì)算分析

3.3.1 彈性時(shí)程分析

根據(jù)文獻(xiàn)［6］第5.5.3 條第2 款的規(guī)定，本工程應(yīng)進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性時(shí)程計(jì)算。選取重現(xiàn)期2 475 年的2 條天然波及1 條安評(píng)單位提供的人工波對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下彈性及彈塑性分析。

在罕遇地震下，最大彈性層間位移角分別為1/278和1/562，均發(fā)生在站廳層，如表5所示，其值小于文獻(xiàn)［6］第5.5.5條規(guī)定的1/50，滿足要求。

表5 罕遇地震彈性時(shí)程計(jì)算結(jié)果Tab.5 Elastic Time History Analysis Results of Rare Earthquakes

3.3.2 靜力彈塑性分析

采用Midas Civil 空間有限元軟件建立模型對(duì)車(chē)站進(jìn)行抗震性能化分析。采用集中塑性鉸對(duì)車(chē)站站廳層的轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱的塑性能力進(jìn)行模擬，即通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)和平移彈簧把結(jié)構(gòu)的非彈性性能集中在單元的兩端和中心，結(jié)構(gòu)的其它位置假定為彈性。分析時(shí)所選取地震波與彈性時(shí)程分析所選波段保持一致。車(chē)站具體計(jì)算模型如圖2 所示，彈塑性模型與彈性模型所計(jì)算出特征周期如表6 所示。通過(guò)對(duì)比可以得出2 種模型的振型方向基本一致，但采用彈塑性分析所得出的周期要略大于在彈性分析下得出的結(jié)果，這是因?yàn)槟Ｐ驮诙x了塑性鉸后整體剛度較彈性狀態(tài)下有所削弱，而導(dǎo)致周期變長(zhǎng)。

圖2 車(chē)站塑性鉸布置Fig.2 Plastic Hinge Layout Plan of the Station

表6 彈塑性與彈性分析周期對(duì)比Tab.6 Comparison of Elastoplastic and Elastic Analysis Periods （s）

罕遇地震下，X、Y向計(jì)算結(jié)果的最大值如圖3～圖4所示。島式車(chē)站在X向地震作用下的塑性鉸轉(zhuǎn)角最大值為Ry=0.000 884，在Y向地震作用下最大值為Ry=0.001 380，小于容許值，Rz未出現(xiàn)塑性鉸；側(cè)式車(chē)站在X向地震作用下的塑性鉸轉(zhuǎn)角最大值為Ry=0.002 270 在Y向地震作用下最大值為Ry=0.002 540，小于容許值，Rz未出現(xiàn)塑性鉸；滿足罕遇地震下的性能要求。

圖3 島式車(chē)站罕遇地震作用下塑形變形（轉(zhuǎn)角）計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation Results of Plastic Deformation（Turning Angle）of Island Station under Rare Earthquake Action

圖4 側(cè)式車(chē)站罕遇地震作用下塑形變形（轉(zhuǎn)角）計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation Results of Plastic Deformation（Turning Angle）of Side Station under Rare Earthquake Action

罕遇地震下，結(jié)構(gòu)層首層間位移角如表7所示。

表7 罕遇地震下位移角Tab.7 Displacement Angle under Rare Earthquake

由表7可知，在罕遇地震（大震）作用下，島式車(chē)站的X向最大層間位移角為1/585、Y向最大層間位移角為1/990，側(cè)式車(chē)站X向最大層間位移角為1/546、Y向最大層間位移角為1/291，均小于文獻(xiàn)［6］第5.5.5條對(duì)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)薄弱層不應(yīng)大于1/50的要求，可以滿足結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的變形要求。

4 抗震構(gòu)造措施

由車(chē)站結(jié)構(gòu)塑性變形圖3～圖4 可知，在罕遇地震作用下，塑性變形最大的區(qū)域發(fā)生在轉(zhuǎn)換梁梁端和轉(zhuǎn)換柱柱底，故需要對(duì)這2 個(gè)區(qū)域加強(qiáng)相應(yīng)的構(gòu)造措施［11］，擬采用的方法如下：

⑴應(yīng)將轉(zhuǎn)換柱豎向受力鋼筋插入承臺(tái)底部并與底部鋼筋相連，保證其豎向鋼筋受力伸入承臺(tái)有足夠的錨固長(zhǎng)度；轉(zhuǎn)換柱豎向受力鋼筋應(yīng)與承臺(tái)頂面鋼筋連接，保證承臺(tái)頂面有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)變形能力［12］。

⑵轉(zhuǎn)換柱箍筋應(yīng)全長(zhǎng)加密以增強(qiáng)其延性，箍筋體積配筋率可參照文獻(xiàn)［6］第6.3.9節(jié)規(guī)定。

⑶ 轉(zhuǎn)換梁箍筋應(yīng)全長(zhǎng)加密以增強(qiáng)其變形能力［13］，構(gòu)造措施可參考文獻(xiàn)［6］第6.3.3節(jié)規(guī)定。

5 結(jié)論

⑴在多遇地震作用下，島式及側(cè)式車(chē)站結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，最大層間位移角小于1/550。

⑵在罕遇地震作用下，島式及側(cè)式高架車(chē)站最大層間位移角小于文獻(xiàn)［6］規(guī)定的1/50 要求，可以滿足在罕遇地震作用下的變形要求。

⑶在罕遇地震作用下，島式及側(cè)式高架車(chē)站塑性變形能力滿足延性設(shè)計(jì)要求，可以保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的變形能力，可以實(shí)現(xiàn)大震不倒。

⑷應(yīng)采取可靠的抗震構(gòu)造措施保證車(chē)站轉(zhuǎn)換柱底及梁端處的變形能力。具體構(gòu)造做法可為后續(xù)同類(lèi)型工程設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。