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        中川機場空鐵聯(lián)運交通綜合體地震響應(yīng)分析

        2022-08-23 12:02:22劉傳平張劭華
        城市軌道交通研究 2022年8期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        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。

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