賈 堅 劉傳平, 袁 勇 李 翀 張劭華

(1.同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司， 200092， 上海； 2.同濟大學(xué)地下建筑與工程系， 200092， 上海；3.同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室， 200092， 上海； 4.中國建筑第二工程局有限公司華東公司，200135， 上海∥第一作者， 正高級工程師)

隨著國家城市化進程的不斷加快和交通強國戰(zhàn)略的持續(xù)推進，空鐵聯(lián)運綜合交通樞紐成為城市交通建設(shè)上的一大創(chuàng)新。它將航空、高速鐵路、城際鐵路、地鐵等多種交通方式結(jié)合在一起，能充分發(fā)揮機場交通樞紐、軌道交通的綜合效益，引導(dǎo)交通設(shè)施與各項城市功能的有機融合，成為城市空間集約化利用的重要途徑[1]。目前建成的有上海虹橋、武漢天河、成都雙流、鄭州新鄭、北京大興機場等綜合交通樞紐。

空鐵聯(lián)運綜合交通樞紐是由機場航站樓、鐵路車站、地鐵車站、綜合交通換乘中心和臨近地表結(jié)構(gòu)等共同組成的新型結(jié)構(gòu)形式，各部分結(jié)構(gòu)并行匯集，立體交叉重疊，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，斷面差異大[2]?？砧F聯(lián)運綜合交通樞紐涵蓋地表和地下結(jié)構(gòu)，與周圍巖土介質(zhì)構(gòu)成了一個復(fù)雜的相互作用體系，地震響應(yīng)的空間效應(yīng)顯著。特別是在高烈度區(qū)，空鐵聯(lián)運綜合交通樞紐一旦遭到地震破壞，將會給城市機能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，深入研究空鐵聯(lián)運綜合交通樞紐結(jié)構(gòu)的抗震性能顯得尤為重要。

目前關(guān)于機場航站樓、鐵路車站、地鐵車站等單體結(jié)構(gòu)的抗震研究成果十分豐富[3-6]，但是針對集機場航站樓、綜合交通換乘中心、鐵路車站、地鐵車站等于一體的大型復(fù)雜交通樞紐結(jié)構(gòu)的抗震研究報道較少，其地震響應(yīng)的空間效應(yīng)如何未知。因此，本文針對蘭州中川國際機場T3航站樓空鐵聯(lián)運綜合交通樞紐結(jié)構(gòu)，研究其在設(shè)防地震下的抗震性能，分析其地震響應(yīng)的空間效應(yīng)，為工程的抗震設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

蘭州中川國際機場T3航站樓綜合交通樞紐總建筑面積約70萬m2，其中，T3航站樓40萬m2，綜合交通中心(GTC)27萬m2。設(shè)計范圍如圖1所示。規(guī)劃高鐵蘭州至張掖線、地鐵5號線在T3和GTC下方設(shè)站且同步建設(shè)。中川機場綜合交通樞紐區(qū)域結(jié)構(gòu)布置如圖2所示，由北至南，區(qū)域內(nèi)主要包括T3航站樓區(qū)域、國鐵和地鐵候車廳區(qū)域以及GTC交通中心區(qū)域[7]。

圖1 中川機場T3航站樓及GTC綜合交通中心設(shè)計范圍

1) T3航站樓:總長約893 m，總寬約854 m，分為主樓和指廊，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。主樓為地上三層、地下一層結(jié)構(gòu)。地下一層為換乘廳，地上二層到達層可通過換乘連廊前往GTC換乘中心。

圖2 中川機場綜合交通樞紐區(qū)域結(jié)構(gòu)布置Fig.2 Structural layout of Zhongchuan Airporttransportation hub

2) GTC：位于T3航站樓南側(cè)，為地上二層、地下三層結(jié)構(gòu)，其橫斷面如圖3所示。地上二層為換乘層，通過換乘連廊通往航站樓；地下三層為鐵路和地鐵的站臺層。GTC建筑主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，局部采用鋼結(jié)構(gòu)，中部鋼拱架最高點標(biāo)高為24 m。換乘中庭兩側(cè)各外擴一跨(9 m)設(shè)縫，與停車樓裙房結(jié)構(gòu)完全斷開。中庭與周邊裙房的總長度約為200 m，總寬度約為118 m。

圖3 GTC換乘大廳橫斷面Fig.3 Cross section of GTC transfer hall

3) 國鐵車站:蘭州至張掖高鐵三四線穿過T3航站樓及GTC。車站位于航站樓中軸線西側(cè)，規(guī)模為2臺2線，總長600 m，其縱剖面如圖4所示。該范圍內(nèi)車站部分有站廳和站臺兩層，部分僅有站臺一層。站臺層底板標(biāo)高為-21.0 m，頂板標(biāo)高為-11.0 m。國鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段橫向?qū)挾葹?1.5 m，車站沿橫向中點布置中柱，中柱沿車站縱向間距為9 m。

4) 地鐵車站：地鐵5號線機場站與國鐵機場站平行設(shè)置于中川機場T3航站樓南側(cè)，車站沿南北向布置，為地下二層島式站臺車站。地鐵車站總長460 m，其中約60 m位于T3航站樓下方，其縱剖面如圖5所示。該范圍內(nèi)車站部分有站廳和站臺兩層，部分僅有站臺一層。站臺層底板標(biāo)高為-19.0 m，

圖4 國鐵車站縱剖面

圖5 地鐵車站縱剖面Fig.5 Longitudinal section of metro station

頂板標(biāo)高為-11.0 m。車站標(biāo)準(zhǔn)段橫向?qū)挾葹?7.3 m，沿橫向?qū)ΨQ布置兩根中柱，兩根柱沿橫向間距為8.8 m，與各自方向墻體相距8.35 m，中柱沿車站縱向間距為9 m。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

建立包括國鐵車站和區(qū)間隧道、地鐵車站和區(qū)間隧道、T3航站樓、GTC在內(nèi)的整個機場區(qū)域地下和地上結(jié)構(gòu)的簡化模型，開展結(jié)構(gòu)抗震性能分析。簡化模型如圖6所示。

圖6 有限元計算模型Fig.6 Finite element calculation model

1) 地下部分的國鐵和地鐵車站結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道采用地基梁模型模擬，梁結(jié)構(gòu)采用三維Timoshenko梁單元，地基采用Winkler模型；

2) 地上部分的航站樓和GTC結(jié)構(gòu)采用質(zhì)量-彈簧模型模擬，樓板簡化為質(zhì)點，柱簡化為彈簧單元；

3) 地基梁橫斷面參數(shù)按照設(shè)計圖紙分段設(shè)置，地基彈簧參數(shù)沿車站縱向變化由代表性橫斷面參數(shù)插值得到。

考慮模型縱向兩端的邊界效應(yīng)，對于國鐵線路，建模長度為：100 m(計算邊界)+100 m(鐵路區(qū)間段)+230 m(車站段)+210 m(GTC段)+110 m+50 m(T3航站樓段)+100 m(鐵路區(qū)間段)+100 m(計算邊界)。對于地鐵線路，建模長度為：100 m(計算邊界)+100 m(地鐵區(qū)間段)+180 m+210 m(GTC段)+110 m+50 m(T3航站樓段)。國鐵線路和地鐵線路的中心距為57 m。鑒于車站柱的縱向間距均為9 m，簡化模型中梁單元尺寸定為2.25 m。

2.2 計算參數(shù)

2.2.1 地層參數(shù)

工程場地鉆孔揭露的土層分布及參數(shù)如表1所示。場地土類型為中軟～中硬土，場地類別為Ⅱ類。

表1 地層參數(shù)

2.2.2 地基彈簧和阻尼系數(shù)

地基梁模型將周圍巖土體介質(zhì)等效為一系列的土彈簧和阻尼單元。水平縱向土彈簧剛度系數(shù)Kx和水平橫向土彈簧剛度系數(shù)Ky計算公式為：

(1)

豎向土彈簧剛度系數(shù)Kz計算公式為：

(2)

式中:

L——入射波波長；

d——圓形結(jié)構(gòu)直徑或矩形結(jié)構(gòu)寬度；

ν——泊松比。

地基梁模型的阻尼單元為輻射阻尼，與土體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)的尺寸和形式、埋深等都有關(guān)系。從土和結(jié)構(gòu)的相對運動方向和接觸面積來分析，水平縱向阻尼系數(shù)Cx、水平橫向阻尼系數(shù)Cy和豎向阻尼系數(shù)Cz的計算公式分別如下：

Cx=ρVsπd

(3)

Cy=Cz=ρVsd+ρVLad

(4)

(5)

式中：

VLa——Lysmer類波速。

根據(jù)以上公式，泊松比ν取0.3，可計算得到地基梁模型中的土彈簧剛度和阻尼系數(shù)，詳見表2。

從客觀角度，木蘭溪防洪工程具有一定的公益性，是一項民生項目，在對其進行建設(shè)的過程中，主要以政府的資金投入為主。但是在對防洪基礎(chǔ)設(shè)施進行建設(shè)的過程中，缺乏配套的旅游以及環(huán)保等資金的共同投入，并且缺乏創(chuàng)新性的投融資機制，使木蘭溪的防洪以及休閑等綜合功能在建設(shè)過程中受到一定的阻礙。

2.2.3 上部結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)構(gòu)柱的水平向抗側(cè)移剛度kx,y計算公式為：

表2 土彈簧剛度和阻尼系數(shù)

(6)

豎向抗壓剛度kz計算公式為：

(7)

式中：

E——柱的彈性模量；

I——柱截面的慣性矩；

h——柱的高度。

柱的混凝土等級取C40，彈性模量E=32.5 GPa。柱的截面尺寸為1 000 mm×1 300 mm(橫向×縱向)，縱向間距均為9 m，橫向跨度為9.8 m或9.15 m，層高為6 m。根據(jù)以上公式計算可得：單根結(jié)構(gòu)柱的水平橫向彈簧剛度為196 MN/m，水平縱向彈簧剛度為330 MN/m，豎向彈簧剛度為42 250 MN/m。

上部結(jié)構(gòu)每層樓板的質(zhì)量和層間彈簧剛度的計算結(jié)果詳見表3。

表3 樓板質(zhì)量和層間彈簧剛度計算

2.2.4 地震波輸入

根據(jù)工程場地地震安全性評價[8]，場地基本烈度為Ⅶ度。因此，選用100年超越概率10%的設(shè)防地震的人工波，其加速度時程和頻譜如圖7所示。峰值加速度為0.24g，主頻為2.75 Hz。

計算時地震波分別沿車站結(jié)構(gòu)橫向和縱向輸入，同時考慮地震波分別沿GTC至T3航站樓方向、T3航站樓至GTC方向傳播，行波波速為500 m/s。計算工況如表4所示。

a) 時程曲線

表4 計算工況Tab.4 Calculation conditions

3 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

根據(jù)簡化模型，提取車站結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。圖8和圖9分別為設(shè)防地震下國鐵車站和地鐵車站結(jié)構(gòu)的水平橫向彎矩和軸向拉力響應(yīng)包絡(luò)圖。

a) 工況1

b) 工況2圖8 設(shè)防地震下車站結(jié)構(gòu)水平橫向彎矩響應(yīng)包絡(luò)

a) 工況3

b) 工況4圖9 設(shè)防地震下車站結(jié)構(gòu)軸向拉力響應(yīng)包絡(luò)Fig.9 Envelope of station structure axial tensile responseunder fortification earthquake

從圖8可以看到，在地震波沿車站結(jié)構(gòu)橫向輸入工況下，國鐵車站和地鐵車站的水平橫向彎矩的分布規(guī)律為沿結(jié)構(gòu)縱向呈起伏變化。在區(qū)間段、車站段和GTC段內(nèi)的結(jié)構(gòu)彎矩均較為平緩，而在區(qū)間段與車站段、車站段與GTC、GTC與候車廳、候車廳與T3航站樓等交接處的結(jié)構(gòu)彎矩出現(xiàn)明顯的突變和起伏。這主要是不同區(qū)段交接處的結(jié)構(gòu)剛度和上部質(zhì)量分布發(fā)生了突變。進入GTC段后，車站結(jié)構(gòu)上面增加了GTC換乘廳的上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量，而到了候車廳段，車站沒有了上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量，但候車廳的存在增大了車站結(jié)構(gòu)的橫斷面剛度。因此，結(jié)構(gòu)彎矩突變以GTC段兩端尤為突出，在車站段與GTC之間，車站的彎矩突變值約400～600 MN·m；在GTC與候車廳之間，地鐵車站的彎矩突變差值達到約600 MN·m，而國鐵車站的彎矩突變差值更是超過800 MN·m。這說明GTC換乘廳的屋蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與其下的車站結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生了協(xié)同作用，其對車站結(jié)構(gòu)局部的地震響應(yīng)有較大影響，影響范圍根據(jù)彎矩突變點的位置大約在距GTC兩端為0.5倍結(jié)構(gòu)橫向跨度內(nèi)。另外，國鐵車站由于結(jié)構(gòu)橫斷面剛度更大，其水平橫向彎矩整體上比地鐵車站結(jié)構(gòu)的更大(約500 MN·m)。對于不同的地震波傳播方向，車站結(jié)構(gòu)的彎矩分布規(guī)律近似，僅當(dāng)?shù)卣鸩ㄑ谿TC至T3航站樓方向傳播時，結(jié)構(gòu)彎矩的最大值略有增大。

從圖9可以看到，在地震波沿車站結(jié)構(gòu)縱向輸入工況下，國鐵車站和地鐵車站的軸向拉力的分布規(guī)律為沿結(jié)構(gòu)縱向呈階段變化。從區(qū)間段開始，國鐵車站和地鐵車站結(jié)構(gòu)的軸向拉力不斷增大，至GTC段起點達到最大，進入GTC段后呈先減小后增大的彎曲狀，從GTC終點開始軸向拉力又不斷減小。整體而言，由于GTC段起止點車站結(jié)構(gòu)剛度和上部質(zhì)量分布有較大突變，這兩個位置結(jié)構(gòu)的軸向拉力均達到局部最大。相較而言，國鐵車站比地鐵車站結(jié)構(gòu)的軸向拉力整體上更大(約2 000 MN)。對于不同的地震波傳播方向，車站結(jié)構(gòu)的軸向拉力沿結(jié)構(gòu)縱向的分布規(guī)律近似，僅當(dāng)?shù)卣鸩ㄑ谿TC至T3航站樓方向傳播時，結(jié)構(gòu)軸向拉力的最大值略有增大。

綜合以上分析，在國鐵車站和地鐵車站結(jié)構(gòu)剛度和上部質(zhì)量分布變化的位置，如GTC段起止點，特別是GTC與候車廳交接處，其內(nèi)力響應(yīng)產(chǎn)生顯著突變或達到局部最大，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計應(yīng)重點關(guān)注的部位。建議在GTC與候車廳之間設(shè)置變形縫，以控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力突變。

4 結(jié)語

本文采用三維簡化結(jié)構(gòu)模型分析設(shè)防地震作用下蘭州中川機場綜合交通樞紐結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，得到如下結(jié)論：

1) 國鐵車站和地鐵車站結(jié)構(gòu)斷面變化及其上部GTC、候車廳、換乘廳、航站樓等建筑質(zhì)量分布導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量變化，會使得不同功能交換連接區(qū)域的內(nèi)力響應(yīng)產(chǎn)生顯著突變或達到局部最大。軸向拉力在剛度和質(zhì)量突變點達到最大，彎矩突變點約在距結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量突變點為0.5倍結(jié)構(gòu)橫向跨度的位置。

2) GTC跨越車站結(jié)構(gòu)的縱向起止點是抗震設(shè)計應(yīng)重點關(guān)注的部位。建議在GTC與候車廳之間設(shè)置變形縫，以控制地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)的突變。