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        上軟下硬地層大跨度車站抗震風(fēng)險控制分析

        2022-06-17 09:46:58張建國
        現(xiàn)代城市軌道交通 2022年6期
        關(guān)鍵詞:層間抗震車站

        張建國

        (中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司,天津 300251)

        1 引言

        近年來,相關(guān)學(xué)者對復(fù)雜場地的地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究,但地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計領(lǐng)域受到的關(guān)注還不是很充分[1]。雖然《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50909-2014)、《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51336-2018)、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)(2016版)[2-4]等標(biāo)準(zhǔn)在近年相繼頒布。但是城市地下結(jié)構(gòu)的地震損失機(jī)理和分析方法的研究尚有許多亟待解決的問題[5]。李新星[6]等對反應(yīng)位移法和反應(yīng)加速度法在地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的適用性進(jìn)行了分析,推薦在均質(zhì)土層采用反應(yīng)加速度法作為抗震設(shè)計方法。劉晶波、陶連金等[7-11]對地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法進(jìn)行了全面分析,但僅限于理論層面。本文對處于上軟下硬地層的大連地鐵5號線后關(guān)村站進(jìn)行設(shè)防地震和罕遇地震作用下的動力響應(yīng)平面時程分析,以期為地鐵工程地震風(fēng)險控制和設(shè)計提供重要的依據(jù)。

        2 工程背景

        后關(guān)村站為大連地鐵5號線終點(diǎn)站,車站長度349 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬42.9 m。車站為地下二層雙島4線車站,與大連地鐵1號線北延線設(shè)置換乘,站臺寬度11 m。其場地范圍內(nèi)上部約2.7 m厚填土,下部為中風(fēng)化石灰?guī)r,頂板覆土約1~6 m。車站主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段采用三柱四跨框架結(jié)構(gòu)(局部為四柱五跨),采用明挖放坡法施工。車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示,標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸見表1。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)、《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50909-2014)有關(guān)規(guī)定:場地抗震設(shè)防烈度為7度,場地類別為Ⅱ類,基本地震動峰值加速度為0.15g,反應(yīng)譜特征周期為0.4 s。

        表1 后關(guān)村站標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸表 mm

        圖1 車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:mm)

        3 平面時程模型建立

        3.1 模型尺寸

        根據(jù)計算分析需要,模型尺寸長×寬為170 m×60 m,模型單元總數(shù)為 16464個,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為16311個。為減弱地震波的吸收和反射效應(yīng),模型2個側(cè)面為自由場邊界(動力人工邊界),底面為固定約束,上邊界為自由地表,如圖2(部分截圖)、圖3所示。模型中,土體采用四邊形和三角形平面應(yīng)變單元模擬,車站梁、板、墻、柱均采用梁單元模擬。

        圖2 土層-結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

        圖3 車站主體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

        3.2 地震波選用

        根據(jù)《大連市軌道交通 5 號線地震安全性評價報告》的內(nèi)容及抗震設(shè)計條件,將大連地鐵5號線地表設(shè)計地震動參數(shù)分為3個區(qū),后關(guān)村站為Ⅲ區(qū);本次時程分析計算選取6組地震波,分別計算50年超越概率10%、2%這2種概率水準(zhǔn)的地震波各3條,不同情況下的地震加速度(ACC)時程曲線如圖4、圖5所示。(E2為設(shè)防地震、E3為罕遇地震)

        圖4 E2地震下ACC時程曲線

        圖5 E3地震下ACC時程曲線

        3.3 計算斷面布置

        根據(jù)動力時程分析中結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的分布規(guī)律,選擇車站主體結(jié)構(gòu)上5個計算斷面進(jìn)行計算分析,計算斷面選取位置如圖6所示。

        圖6 結(jié)構(gòu)計算橫斷面位置圖

        4 E2地震作用下的時程計算分析

        4.1 結(jié)構(gòu)變形計算

        4.1.1 水平方向位移

        在E2地震3條地震波分別作用下,工況1(對應(yīng)地震波1)至工況3(對應(yīng)地震波3)車站主體結(jié)構(gòu)水平方向位移最大值分別為9.33 mm、9.95 mm和11.4 mm,如圖7a~圖7c所示,沿X軸方向最大變形發(fā)生在車站頂板中部位置。

        圖7 E2地震各工況計算斷面水平位移(單位:mm)

        4.1.2 橫斷面層間位移

        表2、表3給出了各個工況下,車站主體結(jié)構(gòu)的層間位移差和位移角統(tǒng)計值。

        表2 E2地震作用下層間位移差 mm

        4.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

        針對3個工況,進(jìn)行結(jié)構(gòu)斷面彎矩、剪力和軸力的計算,典型內(nèi)力云圖如圖8所示。綜合3個工況的統(tǒng)計結(jié)果見表4。

        圖8 E2地震工況1下典型內(nèi)力云圖

        表4 各工況典型內(nèi)力統(tǒng)計表

        彎矩、剪力、軸力云圖計算結(jié)果分析表明工況 1、工況2及工況3最大彎矩為2485 kN · m、最大剪力為772 kN,最大軸力為15136 kN,軸壓比為0.61(軸壓比限值0.75)。這說明在設(shè)計地震作用下,結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足抗震性能 Ⅰ要求。

        5 E3 地震作用下時程計算分析

        5.1 框架水平位移計算

        圖 9給出了車站主體結(jié)構(gòu)的最大水平位移值。工況4至工況6下,車站主體結(jié)構(gòu)X軸方向位移最大值分別為35.3 mm、25.6 mm 和21.46 mm,沿X軸方向最大變形發(fā)生在車站頂板跨中位置。

        圖9 E3地震作用下框架位移圖(單位:m)

        5.2 各橫斷面層間位移計算

        圖 10 給出了工況 4下3個斷面的頂板和底板層間位移差。表5、表6給出了車站主體結(jié)構(gòu)的層間位移差和位移角統(tǒng)計值。

        圖10 各斷面處層間位移差時程曲線圖

        表5 E3地震作用下層間位移差 mm

        表6 E3地震作用下層間位移角

        結(jié)構(gòu)層間位移差及層間位移角最大值分別為 35.3 mm 和 1/523,層間位移角小于 1/250。在 E3 地震作用下,結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足抗震性能 Ⅱ要求。

        6 結(jié)論

        (1)在設(shè)防地震作用下,結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于1/550,可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段,構(gòu)件截面及配筋均滿足抗震計算要求。車站構(gòu)件截面尺寸及配筋均由準(zhǔn)永久荷載組合作用下的裂縫計算控制,抗震工況不起控制作用。

        (2)在設(shè)防地震作用下,車站中柱軸壓比均不超過0.75的限值,滿足規(guī)范要求。

        (3)在罕遇地震作用下,車站彈塑性層間位移角均未超過1/250的層間位移角限值,可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)局部處于彈塑性工作階段,但損壞情況處于可修的范圍之內(nèi)。

        (4)經(jīng)地震作用分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形驗(yàn)算,地下車站結(jié)構(gòu)均滿足抗震設(shè)防要求,且地震工況對構(gòu)件截面尺寸和配筋不作控制,抗震設(shè)計的重點(diǎn)是加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施。

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