軌道交通高架車站結構抗震性能化設計

王偉濤

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

引言

城市軌道交通車站在地面以上的稱之為高架車站，車站具有一般地面建筑的特征和交通建筑的形態。其作為城市主要的交通網，承擔著城市交通的主要功能[1]，其結構自身荷載大，安全等級高，結構抗震要求嚴格。因此高架車站結構設計的好壞將直接影響軌道交通整體的質量和安全。在現有的高架車站結構設計中，結構抗震設計方法是基于多遇地震作用下的結構彈性計算，以此作為結構或構件強度及變形設計基礎，通過抗震等級對抗震措施及抗震構造措施等系數調整，來實現“強剪弱彎”、“強柱弱梁”等延性破壞，再通過罕遇地震作用下彈塑性位移角驗算，來實現抗震基本的三水準設防目標[2]。

由于高架車站自身荷載大、長寬比高、豎向剛度不均勻、大開洞(樓扶梯洞口)等特點，在多遇地震作用下薄弱層補充驗算、中震地震作用下結構性能計算及罕遇地震作用或偶遇地震作用下結構性能計算往往未能進行；另一方面，真實地震對結構產生的作用是動態的、 隨機的和復雜的，采用靜力的方式考慮地震作用具有一定局限性[3]，不能真實地反映結構在地震作用下全生命周期的狀態。隨著抗震彈塑性分析、時程分析理論和計算軟件的日趨成熟，基于抗震性能化設計對于重大項目得以實現。可以根據結構的重要性及震后可恢復功能等特點對結構及構件確定合理的性能化目標及性能化指標[4]。以此來實現對結構在不同設防烈度、場地條件、建筑重要性等條件下采取不同的性能目標和抗震措施；以此來發現結構的薄弱層和薄弱構件從而進行加強，使結構具有更可靠的抗震性能。GB 50909-2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》及GB5011-2010《建筑抗震設計規范》明確了高架車站結構性能等級和性能要求，但規范并未給出相關性能目標的計算參數、驗算指標、操作思路和計算方法[5]。

針對西安軌道交通5號線高架車站結構性能化設計，對結構及構件在不同性能目標下明確設計參數和指標，采用地震反應譜分析、彈性時程分析、靜力彈塑性分析及動力彈塑性分析進行具體的設計和驗算，從中發現結構設計中存在的不足，為同類型工程設計的具體操作思路和計算方法提供借鑒和參考。

1 工程概況

西安軌道交通5號線高架車站結構采用“橋建合一”結構體系(雙墩柱托四柱的框架結構)，軌道結構與主體結構的連接采用剛接形式，其建筑效果見圖1。車站總長118 m，車站主體寬21.6 m，站臺寬11.8 m。縱向柱網為13 m，橫向雙柱軸距為10.8 m，蓋梁懸臂4.9 m，布置于路側，站臺層雨棚采用鋼結構。地面層雙墩柱截面為2.2 m×2.0 m，站廳層四柱截面為邊柱1.0 m×1.0 m，中柱截面為1.1 m×1.1 m；站臺層柱截面為0.5 m×0.5 m，其車站典型橫剖面見圖2。

圖1 高架車站主體結構及雨棚整體效果圖

圖2 高架車站典型橫剖面(單位：mm)

2 結構設計參數取值、性能化目標及地震波選取

在工程結構設計中荷載是結構設計的重要依據，取值的合理性將直接影響結構的安全性、使用性和經濟性。高架車站在結構計算時應考慮的荷載有：結構自重、恒荷載、列車荷載、地震作用、人群荷載、溫度效應、風荷載和雪荷載等。

2.1 設計參數

高架車站結構設計使用年限為100年[6]，車站的抗震設防類別為重點設防類(乙類)，耐久性為100年，結構安全等級為一級，結構重要性系數γ0=1.1。

(1)列車荷載[7]：本工程采用B型車，軸重P=140 kN，6B編組，采用MIDAS-CIVIL模型對于移動荷載工況施加進行計算，采用SATWE/YJK模型按照有限元軟件梁彎矩及剪力包絡等效取線荷載施加進行計算[8-9]，對于承受其他相關的列車荷載按照文獻[7]取值。

(2)地震作用：西安市抗震設防烈度為8度，基本地震加速度值0.20g，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，地震動反應譜特征周期值Tg=0.40 s。根據GB5011—2010《建筑抗震設計規范》及CECS160:2004《建筑工程抗震性態設計通則》可以得到，設計使用年限為100年時結構的地震作用其調整系數范圍取1.3～1.4，因此取αmax=0.224；根據GB50909—2014《城市軌道交通抗震設計規范》E1地震作用αmax=0.1×2.5=0.25取值，綜上所述αmax=0.25。

(3)其他荷載：人群荷載[7]、基本風壓、基本雪壓、溫度效應等按照GB50009—2012《建筑結構荷載規范》取值。

2.2 性能化目標

根據GB 50909—2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》地震動水準E1、E2、E3確定抗震性能要求。

(1)性能要求Ⅰ：地震后不破壞或輕微破壞，應能夠保持其正常使用功能；結構處于彈性工作階段；不應因結構的變形導致軌道的過大變形而影響行車安全。

(2)性能要求Ⅱ：地震后可能破壞，經修補，短期內應能恢復其正常使用功能；結構局部進入彈塑性工作階段。

(3)性能要求Ⅲ：地震后可能產生較大破壞，但不應出現局部或整體倒毀，結構處于彈塑性工作階段。

根據本工程結構構件重要性及可靠性要求，定義轉換柱、轉換梁為關鍵構件，除轉換柱外的豎向構件為普通豎向構件，框架梁為耗能構件。按照結構構件的性能要求[10-11]，根據GB5011—2010《建筑抗震設計規范》小震、中震、大震下確定各構件抗震性能水準見表1。在模型計算時對結構及構件按性能水準進行具體定義，結構及構件應按各性能水準滿足規范要求的計算結果包絡確定最終的布置、截面及配筋等[2]。

表1 各構件抗震性能水準

2.3 地震波

地震波應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震記錄數量不應少于總數的2/3，多組時程曲線的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符[2]。

(1)所謂“在統計意義上相符”指的是，多組時程波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線相比，在對應于結構主要振型的周期點上相差≯20%。

(2)計算結果在結構主方向的平均底部剪力一般不會小于振型分解反應譜法計算結果的80%，平均≯120%。

(3)每條地震波輸入的計算結果不會小于65%。從工程角度考慮，這樣可以保證時程分析結果滿足最低安全要求。但計算結果也不能太大，每條地震波輸入計算≯135%。

3 結構抗震性能化設計

根據高架車站建筑方案要求，分別采用有限元軟件MIDAS-CIVIL和彈性及彈塑性分析軟件 PKPM-SATWE和YJK建模進行計算，模型如圖3、圖4所示。

圖3 雙墩柱車站MIDAS模型

圖4 雙墩柱車站SATWE/YJK模型

3.1 小震作用下彈性計算

對于高架車站結構，此類結構既不是典型的橋類，也不是典型的建筑結構類，彈性設計必須綜合橋與建筑結構的分析計算方法[12]，同時綜合性的選擇兩種規范相關要求進行分析設計，結構設計時采用偏于橋梁軟件 CIVIL和偏于建筑結構軟件SATWE進行對比分析。結構在兩種軟件小震作用下反應譜計算分析見表2。

表2 結構在小震作用下彈性計算分析對比結果

從表2可以得出兩種軟件的計算結果接近，有效質量系數均大于90%，計算振型數足夠；結構周期比、層間位移角，最大位移比及縱橫橋向位移均滿足規范限值的要求。表明計算結果合理可信，可以作為設計依據。

3.2 小震作用下彈性時程補充計算

對于高架車站結構平面不規則、豎向構件不連續、樓面大開洞不規則(站臺層樓扶梯洞口)，需進行小震彈性時程分析法補充計算[2]；根據彈性時程分析結果初步分析結構的薄弱部位，并進行相應的設計調整。

選用的地震波共7條，包括多遇地震下的5組實際地震記錄及2組場地合成人工波，7條地震波的頻譜特性、有效峰值、持續時間等地震動三要素均符合要求，地震波滿足選波的要求。采用小震彈性時程分析軟件YJK進行分析，計算結果見表3。

表3 基底最大總剪力及最大層間位移角

由表3結果可看出：

(1)高架車站結構各條地震波的底部剪力均≮反應譜法的65%且≯135%，7條地震波的底部剪力平均值不小于反應譜法的80%且≯120%，滿足規范[2]5.1.2條的要求，最大位移角滿足規范限值1/550的要求；

(2)由彈性時程結果與規范反應譜結果對比可知，7條地震波彈性時程分析的剪力平均值與反應譜分析結果接近，部分選定的地震波作用下的基底剪力值略大于反應譜計算結果，施工圖設計時可將該范圍樓層最大剪力放大相應倍數進行構件配筋設計，使其能包絡時程分析的結果。

3.3 設防烈度地震作用下的結構驗算

城市軌道高架車站屬于重點設防、100年設計使用年限的重要性建筑，且設防烈度地震作用下結構構造措施的調整不能真實反映結構的受力狀態，應按中震彈性進行結構設計[12]，其材料強度采用設計值，不考慮剪重比、薄弱層、0.2V0(V0為結構底層總剪力)調整等地震力調整，考慮荷載分項系數，考慮抗震承載力調整系數[13]。這就使設計的結構及構件既在中震作用下處于彈性狀態，又從一定程度上保留了結構的安全度和可靠度[14]。采用中震彈性時程分析軟件YJK進行分析，設計參數見表4，計算結果見表5。

表4 中震性能設計參數

表5 中震主要計算結果

結果表明，高架車站結構在設防烈度地震作用下，結構基底剪力為多遇地震基底剪力的比值，約為2.85倍[13]，地震作用量級合理。在中震作用下，高架車站豎向結構位移角滿足文獻[15]1/250 rad限值要求。關鍵構件、一般豎向構件及水平耗能構件均可控不超限(結構未超筋)。轉換部分結構總體能滿足“無損壞”要求；轉換層以上結構總體能滿足“輕微損壞”要求。

3.4 罕遇地震作用下結構靜力彈塑性驗算及動力彈塑性驗算

高架車站結構在罕遇地震作用下的驗算常為彈塑性位移角的驗算，未能真實地反映結構的各種響應、結構進入塑性的先后次序、結構整體進入塑性的程度[16]，以及結構的薄弱部位和薄弱構件。當按大震不屈服進行結構彈塑性設計時，其材料強度采用標準值，不考慮剪重比、薄弱層、0.2V0調整等地震力調整，不考慮荷載分項系數，不考慮抗震承載力調整系數。采用YJK編制的Pushover Analysis進行大震下靜力彈塑性分析，采用中國建筑科學院編制的PKPM-SAUSAGE軟件進行大震下動力彈塑性分析[17]，設計參數見表6。本結構罕遇地震作用下彈塑性時程分析選取1條人工波和2條天然波。

表6 大震性能設計參數

(1)大震作用下結構靜力彈塑性分析

高架車站結構在罕遇地震作用下結構靜力彈塑性分析[18]能力曲線見圖5～圖6，結構最大層間位移角見圖7、圖8，結構在大震作用下的靜力彈塑結果見表7。

圖5 X方向能力曲線

圖6 Y方向能力曲線

圖7 X方向最大層間位移角

圖8 Y方向最大層間位移角

(2)大震作用下結構動力彈塑性分析

本結構在罕遇地震時程分析時選取1條人工波和2條天然波，地震波選取滿足選波的要求。

①人工波：RH1TG045。

②天然波：TH001TG045_CAPE_MENDOCINO_4-25-1992_FORTUNA_-_FORTUNA_BLVD。

表7 大震主要計算結果

③天然波：TH022TG045_CHUETSU-OKI_7-16-2007_NAGAOKA_KOUITI_TOWN。

各地震波[19]反應譜曲線和主次方向時程曲線變化如圖9所示。

圖9 地震波反應譜與規范譜曲線

高架車站結構在大震作用下結構動力彈塑性分析[20]結構損傷見圖10，各工況下的基底剪力對比見表8，結構頂點最大位移及最大層間位移角見表9。

圖10 結構損傷云圖

表8 動力彈塑性各工況下的基底剪力對比

表9 動力彈塑性位移及位移角結果統計

通過結構在大震作用下的彈塑性分析，結合結構整體反應指標和結構構件的抗震性能分析可得出如下結論。

(1)罕遇地震作用下靜力彈塑性分析時，由計算結果可知罕遇地震作用下結構基底剪力與多遇地震基底剪力的比值為4.9倍，地震作用量級合理；由能力曲線圖可知譜曲線與需求譜曲線交于能力譜的直線部位，表明結構抗震性能良好。

(2)罕遇地震作用下靜力彈塑性分析時，需求點對應的加載步下各層的X向層間位移角和Y向層間位移角均小于1/50 rad，滿足規范限值要求。

(3)罕遇地震作用下動力彈塑性分析時，結構基底剪力為多遇地震基底剪力的2.5～5倍[21]，地震作用量級合理；各工況動力彈塑性位移角均滿足規范罕遇地震下層間位移角1/50 rad的限值要求。

(4)根據結構損傷云圖可知，墩柱底輕微損壞已進入塑性階段，框架結構的豎向構件(關鍵構件)大部分輕微損壞，局部輕度損壞，轉換構件(關鍵構件)大部分均為輕微損壞，框架梁(耗能構件)基本為輕度損壞，基本滿足性能目標的要求。但是局部轉換梁(邊梁)由于承受區間橋梁荷載較大重度損傷，應對其局部不滿足要求的構件通過調整截面或配筋，直至滿足要求。

4 結論

(1)采用不同單位編制的不同力學模型軟件MIDAS-CIVIL和PKPM-SATWE分別對結構進行小震下彈性計算分析，結果表明計算結果吻合較好，可作為設計依據。

(2)根據選定的性能目標，確定抗震性能水準；對中震、大震下的抗震設計定義參數，采用軟件分別對結構進行小震、中震、大震下的性能水準進行計算；指出工程設計的具體操作思路和計算方法，結構在中震地震作用下滿足性能水準的要求。

(3)高架車站結構分別采用YJK和PKPM-SAUSAGE軟件對結構進行靜力彈塑性和動力彈塑性分析，評價結構的抗震性能，驗證結構能否滿足大震下性能水準要求，掌握結構大震下損傷情況，對存在的薄弱部位構件采取針對性加強措施。

(4)通過對高架車站抗震三水準的計算分析，實現對結構全生命周期內地震分析，對重要構件及結構進行性能化設計，對存在的不利結果進行加強，使結構具有更可靠的抗震性能，為以后高架車站結構同類型工程設計提供借鑒和參考。