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        地鐵車站中縱梁不連續(xù)對(duì)柱的影響分析

        2021-12-23 08:27:56宋旭亮
        城市建筑空間 2021年11期
        關(guān)鍵詞:柱頂縱梁彎矩

        宋旭亮

        (廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣東 廣州 510010)

        1 工程概況

        近年來(lái),我國(guó)地鐵建設(shè)發(fā)展迅速,城市軌道交通設(shè)計(jì)也在創(chuàng)新中不斷規(guī)范和成熟。地下標(biāo)準(zhǔn)車站一般為2層單柱雙跨箱型框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)公共區(qū)樓梯的建筑布置要求,傳統(tǒng)單柱車站的中板結(jié)構(gòu)縱梁會(huì)在垂直電梯及轉(zhuǎn)折樓梯這一跨被切斷,其余連續(xù)。站廳下站臺(tái)樓梯則分列于中板縱梁兩側(cè)。經(jīng)部分城市線路運(yùn)營(yíng)發(fā)現(xiàn),樓梯扶手高度不足,存在兒童或其他人翻越扶手攀爬的風(fēng)險(xiǎn),為安全管理帶來(lái)不便,因此考慮將此處縱梁取消。以某市地鐵標(biāo)準(zhǔn)站為例,該站全長(zhǎng)181m,標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7m,站臺(tái)中心覆土深約3m,將車站中板縱梁在樓梯、垂直電梯處斷開3跨(見圖1)。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算,對(duì)縱梁斷開結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)(基本組合、設(shè)防地震組合)和正常使用極限狀態(tài)(準(zhǔn)永久組合)下的安全性進(jìn)行分析,在滿足功能及結(jié)構(gòu)安全的前提下,保證運(yùn)營(yíng)安全。

        圖1 中板縱梁斷3跨的車站結(jié)構(gòu)方案

        2 計(jì)算分析

        在地震中的地鐵車站結(jié)構(gòu),其受力處于非線性階段,因此在抗震設(shè)計(jì)中按照荷載效應(yīng)組合的方式并不合理。結(jié)合反應(yīng)位移法的研究現(xiàn)狀,依據(jù)GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,采用先對(duì)車站進(jìn)行荷載組合計(jì)算,再進(jìn)行地震反應(yīng)計(jì)算的方法。通過(guò)采用有限元軟件Midas Civil對(duì)縱向框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維建模,如圖2所示。承載能力極限狀態(tài)基本組合及正常使用極限狀態(tài)準(zhǔn)永久組合采用靜力分析法,設(shè)防地震作用采用反應(yīng)位移法。永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、覆土壓力、地層抗力、水土壓力,可變荷載包括地面超載、人群荷載及設(shè)備荷載??拥滓陨贤馏w加權(quán)后按水土分算計(jì)算,土體黏聚力c、內(nèi)摩擦角漬以及側(cè)向基床系數(shù)均按照地質(zhì)報(bào)告推薦值取用。采用反應(yīng)位移法進(jìn)行地下車站結(jié)構(gòu)橫向地震反應(yīng)計(jì)算時(shí),可將周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束,結(jié)構(gòu)構(gòu)件可采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模(見圖 3)。

        圖2 梁斷3跨與梁斷1跨二維縱向框架模型

        圖3 構(gòu)件編號(hào)

        3 梁斷3跨構(gòu)件計(jì)算結(jié)果

        3.1 基本組合驗(yàn)算結(jié)果

        按照?qǐng)D3方式對(duì)構(gòu)件進(jìn)行編號(hào),讀取軟件內(nèi)力基本組合結(jié)果,并進(jìn)行比對(duì),選取斷梁處彎矩最大的柱Z1及柱Z6進(jìn)行驗(yàn)算,斷梁處柱基本組合下強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。由表1中可知,柱滿足承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)要求。

        表1 斷梁處柱驗(yàn)算

        3.2 地震組合驗(yàn)算結(jié)果

        根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第11.4節(jié)相關(guān)規(guī)定,除框架頂層柱、軸壓比小于0.15的柱以及框支梁與框支柱的節(jié)點(diǎn)外,框架柱節(jié)點(diǎn)上、下端和框支柱的中間層節(jié)點(diǎn)上、下端的截面彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)根據(jù)抗震等級(jí)要求進(jìn)行調(diào)整。

        選取柱Z1,Z6為例進(jìn)行計(jì)算,考慮二級(jí)抗震等級(jí)措施調(diào)整,斷梁處柱地震工況下強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。由表2中可知,柱在地震工況下強(qiáng)度滿足要求。

        表2 Z1,Z6柱頂、柱底強(qiáng)度驗(yàn)算

        4 梁斷3跨與梁斷1跨工況柱計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        根據(jù)有限元分析結(jié)果,分別比較縱梁3次斷開方案與1次斷開方案中框架柱在基本組合與設(shè)防地震組合(梁剪力、柱彎矩及剪力均為抗震措施調(diào)整前)下的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果(見表 3)。

        表3 柱彎矩對(duì)比 kN·m

        由表3可知,相比于傳統(tǒng)斷開1跨的車站模型,在地震組合工況下斷梁3跨模型中Z1柱頂彎矩增加超100%,Z2柱頂彎矩減小62.7%,Z3柱頂彎矩減小46%,Z4柱頂彎矩減小68%,Z5柱頂彎矩增加58.7%,Z6柱頂彎矩增加近310%。由此可見,地震工況下Z1,Z5和Z6的柱頂彎矩增加最多。同樣,比較柱底彎矩可得,2種工況組合下,Z1增加近69%,Z2減小近89%,Z3減小近49.9%,Z4減小近93.7%,Z5增加近48.9%,Z6增加近484%。由此可見,Z1,Z5,Z6柱頂和柱底彎矩均是增加的,Z2,Z3,Z4柱頂和柱底彎矩均是減小的。斷梁最邊跨的柱彎矩增加最大,應(yīng)作為抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)算,斷梁方案結(jié)構(gòu)柱沿縱向的受力主筋加強(qiáng)后(實(shí)配鋼筋1028)滿足構(gòu)件強(qiáng)度受力要求。

        5 斷梁3跨處結(jié)構(gòu)柱的設(shè)計(jì)建議

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果以柱Z1為例進(jìn)行分析計(jì)算(見表4),設(shè)計(jì)框架柱Z1尺寸為0.7m×1.3m。

        表4 柱Z1地震組合斷梁方案與傳統(tǒng)方案內(nèi)力對(duì)比

        由表4可知,梁斷后在抗震工況下柱彎矩、剪力明顯增加,軸力略微減小。

        表5 斷梁方案地震工況下柱Z1配筋計(jì)算

        6 結(jié)論與建議

        利用通用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得出如下結(jié)論與建議。

        1)相較傳統(tǒng)車站模型,斷梁3跨后在地震組合工況下斷梁旁柱頂、柱底彎矩增加明顯,剪力明顯增加,軸力略微減小。斷梁最邊跨的柱彎矩增加最大,應(yīng)作為抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

        2)設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)各工況內(nèi)力結(jié)果,斷梁處結(jié)構(gòu)柱建議考慮加強(qiáng)短邊豎向主筋,同時(shí)加密箍筋,以滿足受力要求及抗震構(gòu)造要求。

        3)經(jīng)承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)下的設(shè)計(jì)及分析,中縱梁斷開3跨后,主框架柱滿足功能及結(jié)構(gòu)安全,保證運(yùn)營(yíng)安全管理。

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