覃羅毅

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530000

0 引言

地震是一種具有毀滅性破壞力的自然災(zāi)害,可對地下交通系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞,威脅乘客的生命安全,使得城市的日常運(yùn)行癱瘓。因此,地鐵站的抗震設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施,成為城市規(guī)劃與建設(shè)中的重要議題。本文對地鐵站抗震計(jì)算分析及抗震構(gòu)造措施展開深入研究,以確保城市地下交通系統(tǒng)在地震事件中能夠保持穩(wěn)定和安全運(yùn)行。

1 工程概況

某地鐵站項(xiàng)目車站為地下2層島式站臺車站,其主體結(jié)構(gòu)為雙柱三跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)。車站場地地形較為平坦,地貌單元屬渭河一級階地,其地震動參數(shù)如表1所示。

表1 某地鐵站地震動參數(shù)的超越概率對比

超越概率是指某一特定地震強(qiáng)度參數(shù)(通常是地震峰值地面加速度,即地震峰值加速度)在一定時(shí)間內(nèi)被超越的概率。這個(gè)概率表示了地震強(qiáng)度參數(shù)超過或等于某個(gè)特定值的可能性。通常以百分比或小數(shù)形式表示,在結(jié)構(gòu)工程中,設(shè)計(jì)地震荷載通?；谝欢ǖ某礁怕?以確保結(jié)構(gòu)在其使用壽命內(nèi)能夠安全抵抗地震荷載。Amax代表最大加速度的響應(yīng)譜值,通常以g(地球重力加速度)為單位,它表示地震時(shí)地表上的最大垂直加速度。βmax代表地震響應(yīng)譜的振幅衰減指數(shù),它決定了響應(yīng)譜隨周期增加的速度。Tg(s)代表地震響應(yīng)譜的峰值周期。γ代表地震響應(yīng)譜的線性譜衰減參數(shù),它描述了地震響應(yīng)譜的線性振幅隨周期增加的速率。

2 抗震計(jì)算分析

2.1 抗震設(shè)計(jì)方法

在進(jìn)行抗震分析時(shí),研究人員采用了不同的方法來處理不同地震作用。對于E2地震作用,研究人員運(yùn)用反應(yīng)位移法來進(jìn)行橫向地震反應(yīng)計(jì)算。在這一計(jì)算中,周圍的土體被視為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧,這些地基彈簧的非結(jié)構(gòu)連接端節(jié)點(diǎn)被施加以模擬地震作用[1]。這種方法可模擬土層對結(jié)構(gòu)的影響,考慮了地震時(shí)土壤的動態(tài)響應(yīng)。對于E3地震作用,研究人員則選擇了反應(yīng)加速度法。在這個(gè)方法中,結(jié)構(gòu)周圍的土體采用平面應(yīng)變單元進(jìn)行建模,而結(jié)構(gòu)本身仍然以梁單元來表示。

2.2 地震作用基準(zhǔn)面

在地下隧道和車站結(jié)構(gòu)的地震設(shè)計(jì)中,選擇合適的地震作用基準(zhǔn)面至關(guān)重要。為了滿足這一要求,在設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)選擇剪切波速大于等于500 m/s的巖土層位置作為地震作用基準(zhǔn)面。

對于土層較薄(厚度小于100 m)的場地,設(shè)計(jì)地震作用基準(zhǔn)面與結(jié)構(gòu)之間的距離應(yīng)不小于結(jié)構(gòu)有效高度的2倍。通過保持一定的距離,結(jié)構(gòu)可以更好地承受地震荷載,減小結(jié)構(gòu)的震動幅度[2]。

而對于土層較厚(厚度大于100 m)的場地,設(shè)計(jì)地震作用基準(zhǔn)面可以選擇場地覆蓋土層深度為100 m的位置。通過選取位于100 m深度的土層位置作為基準(zhǔn)面,可以更準(zhǔn)確地分析地震作用,并保證結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的安全性。

2.3 抗震設(shè)計(jì)荷載組合與計(jì)算

2.3.1 抗震荷載組合

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,對于那些被歸為重點(diǎn)設(shè)防類別的地下車站結(jié)構(gòu),它們在面臨E2地震作用時(shí),必須達(dá)到抗震性能的Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)不僅體現(xiàn)了法規(guī)對于安全的嚴(yán)格要求,也反映了地下車站結(jié)構(gòu)在地震中的脆弱性。為了滿足這一要求,研究人員在計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí),必須嚴(yán)謹(jǐn)考慮多種荷載組合的影響。

在本項(xiàng)目中,研究人員主要考慮了2種荷載組合。第一種是“永久荷載+偶然荷載”。這種組合考慮了長期作用下的恒定負(fù)載,如結(jié)構(gòu)自身的重量、設(shè)備和設(shè)施的重量等,以及可能出現(xiàn)的突發(fā)荷載,如突發(fā)的地震、風(fēng)力等自然力作用。第二種是“永久荷載+可變荷載”。這種組合也考慮了長期作用的恒定負(fù)載,但同時(shí)加入了可能會變化的負(fù)載,如乘客的重量、設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的動態(tài)負(fù)載等。

為了準(zhǔn)確計(jì)算這2種荷載組合對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,相關(guān)工作人員采用了概率極限狀態(tài)法。這種方法綜合考慮了地震的不確定性和荷載的隨機(jī)性,能夠更準(zhǔn)確地評估結(jié)構(gòu)的抗震性能。通過這種方法,研究人員計(jì)算得出了2種荷載組合的分項(xiàng)系數(shù)(見表2)。

表2 組合驗(yàn)算工況的荷載分項(xiàng)系數(shù) 單位:kN/m2

2.3.2 主要荷載計(jì)算

2.3.2.1 永久荷載

本項(xiàng)目使用的鋼筋砼構(gòu)件,自重ρ為25 kN/m3。側(cè)墻土壓力通過計(jì)算靜止土壓力獲得。其加權(quán)平均系數(shù)為:

(1)

式中:K0代表底板土壓力,H代表埋深,n代表荷載實(shí)踐,Ki代表單位面積土壓力,h代表底板厚度。在計(jì)算底板土壓力時(shí),研究人員通過模擬地彈簧的反向作用力,確定鋼筋砼結(jié)構(gòu)的被動土壓力系數(shù)。

2.3.2.2 可變荷載計(jì)算

1)人員荷載計(jì)算。設(shè)計(jì)乘客流量通常根據(jù)城市的需求和預(yù)期的乘客流量來確定,假設(shè)設(shè)計(jì)乘客流量為Q(人/h),人員密度可以用以下公式計(jì)算:

(2)

式中:D代表單位面積上的人員密度,Q為設(shè)計(jì)乘客流量,A是車站的平均截面面積。根據(jù)人員密度和車站的截面面積,可以計(jì)算出車站內(nèi)的總?cè)藛T數(shù)量N。

N=D×A

(3)

將總?cè)藛T數(shù)量N轉(zhuǎn)換為單位面積的人員荷載Wp(kN/m2)。

(4)

式中:g為重力加速度。本次研究中,g取值為9.81 m/s2。

2)運(yùn)行車輛荷載計(jì)算。研究人員基于列車的類型、數(shù)量以及重量數(shù)據(jù),計(jì)算運(yùn)行車輛荷載。假設(shè)列車長度為L(m)、列車數(shù)量為Nc、列車重量為Wc(kN)。有效載荷長度可以通過列車的長度和停靠時(shí)間來計(jì)算,通常以s為單位。如列車?？繒r(shí)間為T(s),則:

(5)

將列車的重量Wc與有效載荷長度Le進(jìn)行組合,分母3 600是將小時(shí)轉(zhuǎn)換為秒的因子。在車輛荷載計(jì)算中,如果速度單位是km/h,而想要得到單位是m/s的速度,就需要將速度乘以3 600,通過上面的公式,可以計(jì)算出每米車輛長度的荷載Wv(kN/m)為:

(6)

2.3.2.3 偶然荷載計(jì)算

該項(xiàng)目人防荷載按照抗力等級Ⅵ級進(jìn)行計(jì)算,在計(jì)算地震荷載時(shí),依靠下列公式計(jì)算底層相對位移參數(shù)為:

(7)

式中:U(Z)代表地震深度為Z時(shí)的土層水平位移(m),Umax代表地表最大位移數(shù),H代表地震波距離地面基準(zhǔn)面的距離,z代表地震深度。

2.3.2.4 土層剪切力

該項(xiàng)目中,工作人員運(yùn)用反應(yīng)譜法,確定土層位移實(shí)際數(shù)據(jù),對該數(shù)據(jù)進(jìn)行微分計(jì)算,最終確定土層應(yīng)變系數(shù)以及土層剪切力,其公式為:

τ=Gd×π/(H×4)×Umax×sin(π×Z/(2×H))

(8)

式中:Gd代表動剪切變形系數(shù),τ代表土層剪切力,將已有數(shù)據(jù)代入該公式,最終得到結(jié)構(gòu)頂板剪切力為13 kN/m,底板剪切力為80 kN/m,側(cè)墻剪切力為46 kN/m。

3 抗震構(gòu)造措施

3.1 框架梁構(gòu)造

框架柱的主筋通常為縱向鋼筋,主筋的數(shù)量、直徑和布置需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和地震等級來確定[3]。框架柱通常需要設(shè)置箍筋,以增強(qiáng)其側(cè)向抗剪能力,箍筋的數(shù)量、直徑和間距需要按照設(shè)計(jì)規(guī)范來確定。

在橫梁設(shè)計(jì)方面,橫梁的主筋通常是縱向的鋼筋,主筋的數(shù)量與直徑需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和橫梁的跨度來確定,通常位于橫梁的底部。為了增強(qiáng)橫梁的抗剪強(qiáng)度,通常需要在框架栓設(shè)置箍筋,以防止在地震作用下產(chǎn)生剪切破壞。

框架柱和橫梁之間的連接,通常采用焊接或螺栓連接,以確保構(gòu)件之間的剛度和強(qiáng)度。連接的設(shè)計(jì)需要考慮地震作用下的力學(xué)行為。本項(xiàng)目中,為提高地鐵站鋼筋砼結(jié)構(gòu)的抗震性,相關(guān)工作人員對現(xiàn)有的地鐵站結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固,在框架柱和橫梁上添加附加的鋼筋、混凝土包裹或其他加固材料,以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能(見表3)。

表3 梁端箍筋加密區(qū)的長度、箍筋的最大間距與最小直徑

3.2 框架柱構(gòu)造

對于鋼筋混凝土柱,當(dāng)考慮Ⅱ級抗震時(shí),其截面寬度和長度應(yīng)不小于450 mm。此外,剪跨比應(yīng)當(dāng)大于2,這意味著截面長邊與短邊的比值應(yīng)當(dāng)不大于3。這些規(guī)定確保了柱子的穩(wěn)固性和抗震性能。同時(shí),柱軸壓比不大于0.75,這是為了限制柱子的縱向壓力,以防止柱子過度變形或損壞。

中柱的縱向受力鋼筋配筋率應(yīng)當(dāng)按照不大于3%的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。這意味著在柱子的同一截面內(nèi),鋼筋接頭的數(shù)量不應(yīng)超過全截面鋼筋總數(shù)的50%。這樣可以保證鋼筋的連續(xù)性和結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

在搭接接頭范圍內(nèi),箍筋的間距應(yīng)當(dāng)小于等于5倍的鋼筋直徑,同時(shí)應(yīng)小于100 mm。這樣可以確保箍筋在柱子中的作用得到充分發(fā)揮,提高柱子的抗剪切能力和整體穩(wěn)定性。這些規(guī)定都是為了確保鋼筋混凝土柱在承受荷載和抵抗地震等外部作用時(shí)能夠保持穩(wěn)定和安全[4]。

砼原料需要在模板內(nèi)澆筑,以形成框架柱的主體結(jié)構(gòu)(見表4)。

表4 柱截面縱向鋼筋的最小總配筋率

在澆筑混凝土之前,必須確保模板完整、垂直和牢固;在澆筑混凝土?xí)r,需要使用振搗器將混凝土均勻壓實(shí),以減少氣孔和提高混凝土的強(qiáng)度。

3.3 框架節(jié)點(diǎn)區(qū)處理

3.3.1 梁上部縱向鋼筋貫穿中間節(jié)點(diǎn)

在框架的中間層中間節(jié)點(diǎn),一項(xiàng)重要的措施是確保梁的上部縱向鋼筋穿越整個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域。這意味著在設(shè)計(jì)和施工中,必須確保梁的頂部縱向鋼筋以適當(dāng)?shù)姆绞酱┻^節(jié)點(diǎn)區(qū)域。在中間層的中間節(jié)點(diǎn),框架柱的縱向鋼筋也需要穿越整個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域,并延伸到中間層的端節(jié)點(diǎn)。這樣的設(shè)計(jì)可確保柱在節(jié)點(diǎn)區(qū)域的連接具有足夠的強(qiáng)度,能夠在地震中承受應(yīng)力。為了確保節(jié)點(diǎn)區(qū)域的縱向鋼筋連續(xù)性,柱的縱向鋼筋接頭應(yīng)該被安排在節(jié)點(diǎn)區(qū)以外的位置。

3.3.2 框架中間層端節(jié)點(diǎn)和頂層節(jié)點(diǎn)

在框架中間層端節(jié)點(diǎn)和頂層節(jié)點(diǎn)區(qū)域,梁的縱向鋼筋需要適當(dāng)?shù)腻^固長度和搭接長度,以確保連接的強(qiáng)度。這些尺寸通常由地震設(shè)計(jì)規(guī)范確定,以滿足地震荷載下的要求[5]。同樣,柱的縱向鋼筋也需要適當(dāng)?shù)腻^固和搭接,以確保節(jié)點(diǎn)區(qū)域的穩(wěn)定性和抗剪性能。這些細(xì)節(jié)須按照設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行精確計(jì)算和執(zhí)行。

4 結(jié)束語

抗震設(shè)計(jì)不僅僅是為了確保地鐵站結(jié)構(gòu)在地震中的穩(wěn)定,更是為了保障乘客的生命安全。在抗震構(gòu)造方面,相關(guān)從業(yè)者要了解加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接、使用高強(qiáng)度材料、增加鋼筋數(shù)量和密度、以及節(jié)點(diǎn)區(qū)預(yù)制等措施的重要性。這些措施不僅可以提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能,還能增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的穩(wěn)定性和耐久性。未來,需要不斷加強(qiáng)對新材料、新技術(shù)和新方法的研究,以適應(yīng)地震活動不斷變化的環(huán)境,同時(shí)也應(yīng)該不斷加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化,以確保抗震設(shè)計(jì)的科學(xué)性和有效性。