橫向雙柱“橋建合一”高架車站結(jié)構(gòu)分析

劉 文 文

(中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司，云南 昆明 650200)

1 概述

隨著我國城市軌道交通建設(shè)的迅速發(fā)展，特別是新型軌道交通形式陸續(xù)建設(shè)，高架車站被越來越多的應(yīng)用。由于城市用地稀缺且既有道路條件受限等原因，橫向雙柱高架車站已作為常規(guī)車站類型，但其結(jié)構(gòu)形式較之傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)形式比較特殊，因此對(duì)該類高架車站結(jié)構(gòu)分析顯得尤為重要。單跨懸臂“橋建合一”高架車站是一種特殊的結(jié)構(gòu)形式，與傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)相比，其橫向抗側(cè)移剛度較小，結(jié)構(gòu)的超靜定數(shù)量較少，缺乏必要的結(jié)構(gòu)冗余度，在遭受強(qiáng)烈地震作用時(shí)，一旦個(gè)別墩柱破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌，抗震耗能能力弱，結(jié)構(gòu)抗震性能較差，必須重視其抗震設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)[1]。因此本文以某橫向雙柱“橋建合一”高架車站為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，為類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

本站為高架3層側(cè)式站，位于道路路中綠化帶內(nèi)，首層為地面架空層，橫向?yàn)殡p柱；2層為站廳層，橫向?yàn)樗闹纾?層為站臺(tái)層。車站主體結(jié)構(gòu)總長140.6 m，總寬23 m，懸臂長度6.4 m，站臺(tái)層上部設(shè)鋼結(jié)構(gòu)屋面，柱腳為鉸接形式。主體結(jié)構(gòu)采用橫向雙柱“橋建合一”現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(懸挑梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土)，屋面采用剛架結(jié)構(gòu)(按等效荷載輸入，近似考慮了其對(duì)下部主體結(jié)構(gòu)的影響)，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。

此外，為減小車站在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)(結(jié)構(gòu)長寬比過大)及減小溫度作用影響，且設(shè)縫后不影響建筑使用功能，因此在車站中部設(shè)置伸縮縫，車站三維結(jié)構(gòu)模型及典型橫剖面圖如圖1,圖2所示，本文主要對(duì)較長部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3 結(jié)構(gòu)分析及方法

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定，“橋建合一”高架車站的軌道梁及其支承結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算應(yīng)按鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其余結(jié)構(gòu)均按建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此本站分別采用兩種規(guī)范進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。一方面運(yùn)用PKPM軟件按建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。首先計(jì)算在多遇地震下的內(nèi)力及配筋并進(jìn)行多遇地震下的時(shí)程分析法補(bǔ)充驗(yàn)算，最后采用彈塑性時(shí)程分析方法進(jìn)行罕遇地震下結(jié)構(gòu)的位移驗(yàn)算。

另一方面采用Midas Civil按鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算，首先根據(jù)按建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軌道梁及其支承結(jié)構(gòu)(墩柱和橫梁)在多遇地震下的配筋結(jié)果，驗(yàn)算其應(yīng)力要小于規(guī)范規(guī)定值，保證結(jié)構(gòu)處于彈性階段；其次采用彈塑性時(shí)程分析法進(jìn)行罕遇地震下的內(nèi)力驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)位移是否滿足《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]延性驗(yàn)算要求。

4 計(jì)算與分析

4.1 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》等規(guī)定，車站結(jié)構(gòu)相關(guān)輸入?yún)?shù)見表1。

表1 車站結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)表

多遇地震作用下的周期及相關(guān)計(jì)算結(jié)果及控制參數(shù)見表2,表3，可以看出，結(jié)構(gòu)前幾階周期均為平動(dòng)周期，第一扭轉(zhuǎn)周期出現(xiàn)在第7階。結(jié)構(gòu)軸壓比、剪重比、位移角、周期比及位移比等計(jì)算指標(biāo)均符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，整個(gè)結(jié)構(gòu)均未進(jìn)入彈塑性階段。

表2 結(jié)構(gòu)前幾階振型周期表

表3 多遇地震主要控制參數(shù)表

此外，進(jìn)行多遇地震作用下的彈性動(dòng)力時(shí)程計(jì)算，地震波選取三組人工模擬的場(chǎng)地波(由工程場(chǎng)地安評(píng)報(bào)告提供，按場(chǎng)地類別Ⅱ類，特征周期為0.35 s)。計(jì)算結(jié)果參見表4，可以看出，在多遇地震作用下，沒有結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)，滿足規(guī)范要求。

表4 多遇地震作用彈性動(dòng)力時(shí)程計(jì)算結(jié)果

4.2 罕遇地震(大震)作用下的彈塑性計(jì)算分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]和《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，分別進(jìn)行罕遇地震下X向、Y向的彈塑性時(shí)程分析。各地震波結(jié)構(gòu)最大樓層剪力、最大樓層位移、最大層間位移角見表5。可知，樓層的最大層間位移角小于1/50，框架柱，梁均未出現(xiàn)塑性鉸，構(gòu)件整體仍保持穩(wěn)定、安全。滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，可以實(shí)現(xiàn)大震不倒，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下能達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)。

表5 Y向多遇地震作用動(dòng)力時(shí)程計(jì)算結(jié)果

4.3 按橋規(guī)抗震分析

按容許應(yīng)力法進(jìn)行截面配筋驗(yàn)算，進(jìn)行多遇地震反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果及分析，采用荷載組合為：恒載+站廳層、站臺(tái)板下層活載+0.5倍站臺(tái)層活載+地震作用，計(jì)算結(jié)果見表6?？梢钥闯鼋Y(jié)構(gòu)在多遇地震下處于彈性狀態(tài)。

表6 多遇地震作用下下部墩柱墩計(jì)算結(jié)果

選擇50年超越概率2%的3組時(shí)程波進(jìn)行罕遇地震彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，取計(jì)算結(jié)果的最大值，計(jì)算分析結(jié)果見表7?？梢钥闯觯鞫罩?jì)算出的非線性位移延性比均小于《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定允許位移延性比，滿足延性設(shè)計(jì)的要求，可以實(shí)現(xiàn)大震不倒。

表7 罕遇地震作用墩柱延性比計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論及建議

1)在6度抗震設(shè)防區(qū)采用本類型高架車站，其抗震性能能夠滿足規(guī)范要求。

2)本車站因車站橫向剛度較弱，抗震較為不利，因采取相關(guān)措施適當(dāng)加強(qiáng)，如柱箍筋全長加密等。

3)分別采用建規(guī)和橋規(guī)兩套規(guī)范分別進(jìn)行計(jì)算和分析，均能滿足規(guī)范的要求，建議類似工程可采用兩套規(guī)范體系進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

4)考慮橫梁懸臂長度較長導(dǎo)致豎向位移較大，如場(chǎng)地及建筑布置有條件的情況下，應(yīng)盡量減小懸臂長度，否則宜盡量增大其剛度或與其他構(gòu)件協(xié)同工作。