單跨高架車站基于抗震性能化的結構設計

張 何

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 工程概述

武漢軌道交通21號線西起江岸區后湖大道站，東至新洲區金臺站，全長35km，全線采用A型車6節編組，全線共設車站15座，其中地下站5座，高架站10座。高架車站中有2座車站采用四柱落地的框架結構，其余8座標準車站受限于邊界條件及場地等控制因素均采用“開”字形雙柱雙懸挑的結構形式并設置于11m寬的路中綠化帶內，如圖1所示。標準車站共分為3層，其中一層為架空層，二層為站廳層，三層為站臺層，車站總長142.8m,車站總寬23.6m，縱向主要柱距12m，橫向柱距7m，標準車站橫斷面如圖2所示。墩柱上部為預應力鋼筋混凝土“開”型蓋梁，站廳層、承軌層及站臺層通過支承在“開”型蓋梁上立柱形成鋼筋混凝土框架結構。由于行車部分的軌道梁與車站框架橫梁剛接，車站部分建筑結構與車站橋梁結構結合在一起共同受力，因此車站是“橋-建合一”式車站。

圖1 標準車站效果圖

根據《建筑抗震設計規范》[1]第6.1.5條規定甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應采用單跨框架結構。高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結構。該線標準車站雖不屬于房屋結構且高度不超過24m，但標準站橫向均為“開”字形單跨框架結構，其抗側剛度小，耗能能力弱，結構冗余度小[2-4]，在遭遇強烈地震時，很容易由于單個豎向構件發生破壞繼而引發結構連續倒塌，因此，標準站的抗震性能極其重要。基此，筆者將以標準車站中的武湖大道站為例，對其分別進行各地震動水準作用下的彈性及彈塑性分析。

圖2 標準車站典型橫斷面

2 車站抗震性能目標及性能水準

由于車站采用“橋-建合一”的框架結構，從功能而言是房屋建筑，從受力特點來看又不同于房屋建筑而接近于橋梁，因此該工程高架車站多遇地震E1作用下，性能要求Ⅰ結構強度驗算分別按《建筑抗震設計規范》和《鐵路工程抗震設計規范》[5]的規定進行。設防地震E2、罕遇地震E3作用下，性能要求Ⅱ、Ⅲ的變形、位移驗算按《城市軌道交通結構抗震設計規范》[6]第7章的規定進行。

結構構件性能等級分三級，如表1所示。

表1 結構構件性能等級劃分表

結構整體和構件性能等級關系，如表2所示。

表2 結構整體性能等級劃分表

結構抗震性能目標，如表3所示。

表3 結構抗震性能目標

3 車站抗震計算分析

根據《建筑工程抗震設防分類標準》[7]和《城市軌道交通結構抗震設計規范》的相關規定，并依據《武漢市軌道交通21號線工程場地地震安全性評價報告》[8]，確定該站的抗震計算參數如表4所示。

表4 車站抗震計算參數表

3.1 多遇地震作用下結構彈性反應譜分析

3.1.1按“建規”分析

運用PKPM軟件建立車站空間整體模型如圖3所示。

圖3 車站PKPM三維整體模型

項 目計算結果規 范 限 值基本周期0.61s最大軸壓比0.33抗震規范(6.3.6)條,三級框架柱軸壓比限值:0.85最小剪重比2.24%抗震規范(5.2.5)條,樓層最小剪重比限值:0.8%最小側向剛度比0.69抗震規范(3.4.4)條,薄弱層地震剪力增大系數= 1.25底層最大彈性層間位移角1/1417抗震規范(5.5.1)條,框架結構:1/550位移比(最大彈性水平位移與層平均位移、最大彈性層間位移與平均層間位移的比值)1.21抗震規范(3.4.2)條,大于1.2時結構為平面不規則剛重比X向97.6Y向131.91. 剛重比>10,能夠通過高規(5.4.4)條的整體穩定驗算2. 剛重比>20,可以不考慮重力二階效應底層最大彈塑性層間位移角1/284對全樓采用強制剛性樓板假定抗震規范(5.5.5)條框架結構:1/50周期比0.811高規(3.4.5)條,結構扭轉為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1之比,A級高度建筑不應大于0.9墩頂最大橫向位移9.722Δ≤4L墩頂最大縱向位移9.942Δ≤5L

根據表5可知：結構前兩階振型為平動，第三階為扭轉，振型合理，第一周期大于場地特征周期0.35s，結構不會在地震作用下發生顯著的共振效應；結構周期比、位移比、軸壓比、剪重比及層間位移角的量值均滿足規范要求；所有結構構件均處于彈性階段。

3.1.2按“橋規”分析

采用Midas/Civil 2013軟件建立空間桿系模型，如圖4所示，主體結構采用空間梁、板單元模擬，地基土對基礎樁、承臺的作用利用節點彈性支撐模擬。

圖4 車站Midas三維整體模型

根據《鐵路工程抗震設計規范》，“橋梁抗震驗算的荷載，應采用地震作用與恒載和活載進行最不利組合”。該工程分別考慮地震作用下，結構內力計算按順橋向、橫橋向及有無車四種工況分別計算。并根據《鐵路橋涵混凝土和預應力混凝土結構設計規范》[9]容許應力法進行截面配筋驗算，驗算結果如表6所示。

表6 容許應力法驗算簡表

綜上，在多遇地震(E1地震)作用下，結構所有豎向構件及框架梁全部保持彈性，沒有結構構件進入塑性狀態。全部構件的抗震承載力、各項水平位移限值和舒適度滿足“建規”及“橋規”有關要求。結構抗震性能能夠滿足性能要求I，結構一般不受損壞或不需修理可繼續使用。

3.2 罕遇地震作用下結構彈塑性時程分析

3.2.1按“建規”分析

根據《建筑抗震設計規范》第5.5.3條第2款的規定，對本站進行罕遇地震下的彈塑性時程分析，三向輸入地震波，地震波選取TH1TG055和TH1TG065兩條天然地震波及一條人工地震波，人工地震波由該工程地震安評單位(武漢地震工程研究院提供)，按50年超越概率2%選擇)，計算得到地震波主方向分為X向及Y向時結構最大樓層位移、最大層間位移角如表7所示。

表7 彈塑性層間位移角

該站在罕遇地震下，最大層間位移角發生在站廳層為1/284，小于《建筑抗震設計規范》第5.5.5條規定的1/50，滿足要求。

3.2.2按“橋規”分析

罕遇地震下，選擇安評報告提供的50年超越概率2%的3組地震加速度波進行計算，分別取X、Y向計算結果的最大值，如圖5～圖6所示。X、Y向罕遇地震作用下墩柱的非線性位移延性比最大值分別為2.37和1.79，均小于《鐵路工程抗震設計規范》中第7.3.3條4.8的容許值。

圖5 罕遇地震X向作用下柱墩D/D1計算結果

圖6 罕遇地震Y向作用下柱墩D/D1計算結果

綜上，在罕遇地震(E3地震)作用下，結構層間位移角小于“建規”容許限值，大部分墩柱雖進入塑性狀態，但延性比均小于“橋規”有關要求，結構具有較好的延性。結構抗震性能目標能夠滿足性能要求III，即使可能產生較大破壞，但不會出現局部或整體倒毀。

4 結構抗震構造措施

該工程為抗震設防乙類的建筑結構，設計使用年限100年。其結構設計除滿足計算要求及抗震構造的基本要求外，根據抗震性能目標分析結果，擬采取以下抗震加強措施。

4.1 行車相關構件構造措施

(1)與行車有關的構件按《城市軌道交通結構抗震設計規范》第8.4條以及《鐵路工程抗震設計規范》(第7.3.2條、7.5.14條，墩柱箍筋全高加密，箍筋直徑選用10以上；配箍率不低于主筋配筋率的1/4，且不低于0.3%，箍筋肢距不大于200mm；矩形箍筋端部布有135°彎鉤，彎鉤的直段長度不小于200mm；墩柱箍筋延伸到蓋梁和承臺的另一側面。

(2)按《鐵路工程抗震設計規范》第7.5.17條第2款，承臺采用六面配筋，頂面鋼筋直徑應小于16、間距不應大于150mm。

(3)按《鐵路工程抗震設計規范》第7.5.17條第3款，鉆孔灌注樁樁頭5倍樁徑范圍箍筋間距不大于100mm，直徑不小于10mm，樁身的縱向鋼筋配筋率不小于0.65%，邊跨墩柱下樁縱筋通長配置，嵌巖樁或者端承樁通長配筋。

4.2 民建構件抗震構造措施

(1)框支柱、框支梁抗震等級為二級。

(2)框架柱縱筋配筋率中柱及邊柱不小于1.0%(規范最小配筋率為0.8%)，角柱不小于1.2%(規范最小配筋率為0.95%)。

(3)底部設備層頂板處樓板厚250mm，采用雙層雙向配筋，且每個方向的配筋率不小于0.25%。其余樓層加強樓板配筋構造。結構樓板局部開洞，采取設置拉梁等加強措施。

(4)在罕遇地震作用下塑性鉸相對比較集中區域，加強該區域框架梁抗剪能力和底部抗彎能力。

5 結語

本文針對具體工程案例，對“橋-建合一”的框架結構高架車站進行“小震、中震、大震”作用下的分析研究，主要橋梁構件和房建構件性能等級和結構抗震性能目標均滿足規范要求，通過增加關鍵構件的配筋率、控制最小鋼筋直徑和提高構件抗震等級等一系列構造措施進一步提高了結構的抗震性能。今后對“橋-建合一”的框架結構高架車站由于行車振動引起的舒適性分析，還需要進一步深入研究。