罕遇地震作用下高架地鐵車站抗震分析

胡 寧 陳麗軍 李 運 文小和 劉 璐

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司 武漢 430023）

1 工程概況

某軌道交通工程地鐵車站為高架3層車站，采用“建、橋”合一的結構體系，一層為地面層，二層為站廳層，三層為站臺層.車站主體結構為鋼筋混凝土框架結構，一層采用雙墩柱加蓋梁結構，基礎采用柱下承臺樁基礎方案［1－2］.車站總高約23.68m.車站有效站臺總長151m，凈寬10.8m.車站結構布置示意見圖1.

圖1 某地鐵高架車站布置示意圖（單位：m）

根據文獻［3］，本高架車站工程抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，設計地震分組為第一組.為了掌握該地鐵高架車站在地震作用下的受力情況，并檢驗其在場地的安評地震波作用下是否達到其抗震性能目標，本文對其進行了罕遇地震作用下地震分析.

2 高架車站結構有限元分析模型

采用橋梁分析專用軟件 MIDAS／Civil建立地鐵高架車站有限元模型進行抗震分析，建模時站廳層、站臺層采用板單元模擬，軌道梁、蓋梁、墩柱、承臺、樁基均采用空間梁單元來模擬，為分析結構在罕遇地震下的非線性時程位移，對墩柱頂底部采用纖維梁單元進行模擬，同時對樁基邊界可由“m”法計算出土彈簧剛度后采用節點彈性支撐來模擬樁－土效應.為了模擬結構整體的地震響應，計算以整體高架車站為對象，同時考慮兩側橋梁的影響以支座反力加在兩側邊蓋梁上.計算有限元模型見圖2.

圖2 車站有限元模型

3 罕遇地震下墩柱延性驗算

根據文獻［3］中7.3.3條，在罕遇地震作用下應進行墩柱的延性比驗算.本文對罕遇地震下地震作用采用非線性時程分析方法，將有限元模型中的墩柱頂底部采用纖維梁單元模擬，地震作用下的位移采用有限元模型計算安評地震波作用下墩頂最大位移.屈服位移采用Pushover計算出結構順橋向或橫橋向受力最大鋼筋屈服時的墩頂位移.利用非線性時程分析方法計算出墩柱罕遇地震下位移，計算得墩柱延性比見表1～2.墩柱延性比小于4.8，滿足文獻［3］要求.

表1 順橋向墩柱延性比

由以上罕遇地震下計算結果可知，墩柱延性比均小于4.8，滿足規范要求，且墩柱罕遇地震下最大彎矩均小于相應截面最不利軸力對應的等效屈服彎矩，墩柱未進入塑性工作范圍.

4 罕遇地震下能力保護構件驗算

為了降低罕遇地震下高架車站的修復難度，本文參考文獻［4］規定，提出在罕遇地震下，鋼筋混凝土墩柱作為延性構件產生塑性變形耗散地震能量，而將蓋梁、基礎等采用能力保護設計方法進行設計，保證在罕遇地震下墩柱先于蓋梁、基礎等發生破壞［5－6］.

4.1 蓋梁的能力保護驗算

由上述分析可知，蓋梁下方墩柱在罕遇地震作用下，墩柱彎矩未達到等效屈服彎矩，因此可按罕遇地震的地震力計算結果對蓋梁進行能力保護驗算，蓋梁的抗力強度計算取用材料的標準值［7－10］，見表3.

由表3可知，蓋梁的抗力強度大于蓋梁可能在罕遇地震中承受的最大、最小內力，滿足能力保護要求.

4.2 承臺的能力保護驗算

在罕遇地震作用下，現有配筋條件下的墩柱彎矩未達到等效屈服彎矩，可按地震波的計算結果進行承臺能力保護驗算，抗力強度計算取用材料的標準值.由于篇幅限制本文僅列出最不利工況下承臺能力保護驗算結果，見表4.

表2 橫橋向墩柱延性比

表3 罕遇地震下蓋梁能力保護驗算結果

表4 罕遇地震下承臺能力保護驗算結果 kN

由表4可知，承臺的抗力強度大于承臺可能在罕遇地震中承受的最不利內力，滿足能力保護要求.

4.3 樁基的能力保護驗算

在罕遇地震作用下，墩柱彎矩未達到等效屈服彎矩，承臺滿足能力保護設計要求，因此樁基可按地震波的計算結果進行能力保護驗算，抗力強度計算取用材料的標準值.

樁基取最不利工況進行能力保護強度驗算，結果見表5.

表5 罕遇地震下樁基能力保護驗算結果

由表5可知，樁基的抗力強度大于其可能在罕遇地震中承受的最不利內力，滿足能力保護要求.

5 結 論

針對本高架地鐵車站建立的整體結構有限元模型，通過對該車站進行的罕遇地震作用下的非線性時程分析及相應構件的能力保護驗算，得到結論如下.

1）在罕遇地震作用下，該地鐵高架車站墩柱延性比均小于4.8，滿足規范要求；且墩柱罕遇地震下最大彎矩均小于相應截面最不利軸力對應的等效屈服彎矩，墩柱未進入塑性工作范圍.

2）為了降低罕遇地震下高架車站的修復難度，本文參考城市橋梁抗震設計概念，提出在罕遇地震下，將鋼筋混凝土墩柱作為延性構件產生塑性變形耗散地震能量，而將車站蓋梁、承臺及樁基礎等采用能力保護設計方法進行設計，使其在罕遇地震下處于彈性狀態，保證了罕遇地震下墩柱先于蓋梁、承臺、樁基等發生破壞從而為震后及時發現和修復車站結構創造有利條件.

［1］克拉夫.結構動力學［M］.彭 津，王光遠，譯.北京：高等教育出版社，2006.

［2］謝 旭.橋梁結構地震響應分析與抗震設計［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［3］中華人民共和國建設部.GB 50111－2006鐵路工程抗震設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［4］中華人民共和國建設部.CJJ 166－2011城市橋梁抗震設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

［5］中華人民共和國建設部.GB50157－2013地鐵設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2014.

［6］中華人民共和國建設部.TB10002.1－2005鐵路橋涵設計基本規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［7］中華人民共和國建設部.TB10002.3－2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［8］中華人民共和國建設部.TB10002.5－2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［9］中華人民共和國建設部.JTG D62－2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2005.

［10］武漢地震工程研究院有限公司.武漢市軌道交通機場線工程場地地震安全性評價報告［R］.武漢：武漢地震工程研究院有限公司，2014.