地铁高架车站的抗震性能分析

地铁高架车站的抗震性能分析

1大跨悬索式大跨桥桥结构设计南京宁天际公共交通一期工程位于南起浦口区大桥北路站和六合区金牛湖站，全长约44.5公里。整个线路由4个b型车组成，线路有效，全长80米。有17个车站，其中11个高架站和6个地下站。高架站台中有5座高架站位于路中6m宽的绿化带内,本单位设计了其中形式相同的3座侧式站(盘城站、大厂西站和大厂站)和两座岛式站(沿江镇站和大厂东站)。大厂西站横向单柱跨度受路中6m宽绿化带宽度的限制,最大只能做到3.9m,车站纵向中间柱子截面尺寸为1.1m×1.1m,边柱截面尺寸为1.4m×1.4m,纵向跨度12m,共7跨,车站总长84m,总计16根柱子。大厂西站分站厅层、站台板下层和站台层3层楼板,没有轨道梁,是桥建合一的框架结构形式。考虑到对站址周围景观的影响,没有采用路侧绿带和路中绿带分别布置墩柱形成三柱两跨的结构形式。大厂西站典型横剖面如图1所示。国家住建部在2008年10月8日颁布了1号令《市政公用设施抗灾设防管理规定》(以下简称规定),其中第二条和第十四条明确城市轨道交通工程应在初步设计阶段组织专家进行抗震专项论证。住建部又于2011年3月4日下发了《市政公用设施抗震设防专项论证技术要点(城镇桥梁工程篇)》的通知》,对需要做抗震专项论证的桥梁做了详细的规定。大厂西站为桥建完全合一的框架结构,从功能而言是房屋建筑［2］,从受力特点来看又不同于房屋建筑而接近于桥梁。因为该结构横向为双柱单跨,不满足现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)［3］(以下简称《抗规》)6.1.5条的规定:“甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑,不应采用单跨框架结构”,因此该种结构形式符合《规定》中第十四条的要求“超出现行工程建设标准使用范围的市政公用设施”应进行抗震专项论证。2分析了两种结构形式的抗疲劳性能2.1根据“施工规则”分析2.1.1结构动力特性分析运用PKPM-SATWE软件建立空间三维整体模型如图2所示。根据《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008［4］(以下简称《建规》)和《抗规》的规定,按房屋结构,抗震计算参数如表1所示。结构振型周期如表2所示。从表2可见,前两阶振型为平动,第三阶为扭转,振型合理;第一周期大于场地特征周期0.35s,结构不会在地震作用下发生显著的共振效应;第三周期比第一周期为0.88,参考《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010［5］(以下简称《高规》)中3.4.5条的规定,该结构周期比满足要求。该结构最大层间位移角出现在Y-5%偶然偏心地震作用工况下,最大弹性层间位移角为1/1588,小于《抗规》中5.5.1条规定的1/550,满足要求;最大位移比为1.34,参考《高规》中3.4.5条的规定,该结构位移比满足要求。该结构最小剪重比为4.84%,满足《抗规》中5.2.5条最小剪重比1.60%的要求。但从计算结果参数看,结果指标大于规范要求较多,主要是因为结构刚度较大导致。2.1.2地震加速度时程根据《抗规》中5.1.2条第3款的规定“特别不规则的建筑,应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算”。本站按该条的要求进行了弹性动力时程分析。根据江苏省地震工程研究院提供的50年超越概率63%(多遇)水平下工程场地地表地震加速度时程曲线,地震波时程曲线如图3、图4及图5所示。PKPM-SATWE软件中自带了4条天然地震波,如果总计选取7条地震波,则4条天然地震波不能满足规范要求的天然地震波不应少于总数2/3的规定(需要5条),因此本站进行多遇地震时程分析时采用三组地震波(两组程序自带的天然波,一组人工波)。人工波取江苏省地震工程研究院提供的三组中使结构产生最大内力的一组。弹性动力时程分析结果如表3所示。由表3可见,三组地震波产生的底层剪力包络值小于按振型分解反应谱法算得的底层总剪力,大于《抗规》中5.1.2条文说明规定的65%,满足要求。因此,对于本站按PKPM-SATWE软件用振型分解反应谱法计算出的内力不需要调整。2.1.3吉尔伯格地震的影响分析2.1.3.多遇地震时程分析的地震波根据《抗规》中5.5.3条第2款的规定,对本站进行罕遇地震下的弹塑性动力时程分析,三向输入地震波,三向加速度最大值比例按1∶0.85∶0.65,地震波选取与多遇地震时程分析时选取的对应。地震波时程曲线如图6、图7及图8所示。计算地震波(第1条波为TH3TG035波,第2条波为TH4TG035波,第3条波为人工波)主方向为X向时结构最大楼层位移、最大层间位移角和最大楼层剪力如图9、图10及图11所示。汇总各条地震波,分别作用在X、Y方向时各计算结果如表4所示。通过以上图表可知,本站在罕遇地震下,最大层间位移角发生在站厅层为1/320,小于《抗规》中5.5.5条规定的1/50,满足规范要求。2.1.3.横向高温下的塑性铰根据《抗规》中5.5.3条第2款的规定,对本站进行罕遇地震下的静力弹塑性分析(pushover分析),分别进行X向和Y向计算。X向罕遇地震下,需求谱曲线如图12所示。由图12可见,能力曲线与需求曲线交点所对应的层间位移角为1/363,该弹塑性位移角小于《抗规》中5.5.5条规定的1/50,满足规范要求。X向罕遇地震下,梁柱塑性铰位置如图13所示。由图13可知,在X向罕遇地震下,塑性铰出铰顺序为先在纵向梁梁端,后在柱底。由此可以判断,X向薄弱层在站厅层,首层柱的柱顶和柱底应加强抗震措施。该种纵向多跨结构的受力特点符合房屋结构。Y向罕遇地震下,需求谱曲线如图14所示。由图14可见,能力曲线与需求曲线交点所对应的层间位移角为1/368,该弹塑性位移角小于《抗规》中5.5.5条规定的1/50,满足规范要求。Y向罕遇地震下,梁柱塑性铰位置如图15所示。由图15可知,在Y向罕遇地震下,塑性铰出现在柱顶和柱底,横向盖梁没有出现塑性铰,这主要是由于柱的线刚度和屈服弯矩小于盖梁的值。这种破坏机理和CJJ166-2011《城市桥梁抗震设计规范》［6］(以下简称《城桥抗规》)第3.4.2条的规定相吻合,由此可以判断该种结构横向受力特点是符合桥梁结构的。通过对该种类型车站结构按房屋结构遭遇的多遇地震、罕遇地震计算分析,可以看出结构在多遇地震作用下能保持弹性状态,没有出现异常的振动状态;结构在罕遇地震作用下塑性铰出铰顺序两个方向分别具有房屋结构和桥梁结构的特点,弹塑性位移角远远小于规范规定值,最大位移值也较小,说明罕遇地震作用下,该种结构不会倒塌。2.2根据“桥法”分析2.2.1工程地质模型建立空间杆系模型,采用Midas/Civil2010软件进行抗震相关计算分析。主体结构均采用空间梁单元模拟,利用节点弹性支撑模拟地基土对结构的作用,其顺桥向、横桥向的约束刚度根据岩土工程勘察报告提供的地质资料采用m法计算。具体计算模型如图16所示。由于计算模型中增加了承台和桩,结构的自振周期变长,第二、三周期很接近,第二振型为扭转,具体数值如表5所示。按GB50157-2003《地铁设计规范》(以下简称《地铁规范》)和GB50111-2006《铁路工程抗震设计规范》(2009年版)［7］(以下简称《铁抗规》)的相关规定计算,在X向、Y向地震作用下,墩柱的混凝土压应力、墩柱中纵筋压应力和墩柱稳定性应力均满足TB10002.3-2005《铁路桥涵混凝土和预应力混凝土结构设计规范》［8］的相关规定。2.2.2计算稀疏地震的作用在罕遇地震下,也选择图6、图7及图8所示的3组时程波进行计算,取三组计算结果的最大值。2.2.2.中间跨墩柱屈服特征X向(顺桥向)地震作用下,墩柱弯矩值云图如图17所示。Y向(横桥向)地震作用下,墩柱弯矩值云图如18所示。通过墩柱最不利轴力计算出墩柱底、顶的屈服弯矩,和地震波作用下墩柱底、顶弯矩相比较,如果屈服弯矩大于计算值则判断墩柱没有屈服即不出现塑性铰,反之则屈服出现塑性铰。将3条地震波作用下墩柱底、顶弯矩计算值和墩柱底、顶弯矩屈服值汇总如表6及表7所示。由表6可见,所有墩柱底、顶在罕遇地震下弯矩均小于屈服弯矩,因此墩顶、墩底没有屈服,没有塑性铰出现,则可以推断本结构纵向框架梁端可以通过调整配筋使其在罕遇地震下先出铰。这一点和PKPM分析的结果是一致的。由表7可见,中间跨墩柱(1.1m×1.1m墩柱)底、2~4轴墩柱顶在罕遇地震下弯矩均大于屈服弯矩,因此该部位屈服,塑性铰出现在柱底和柱顶。这一点和PKPM分析的结果也是一致的。2.2.2.墩柱非延性比取3条地震波计算结果的最大值,位移云图如图19及图20所示。由图18、图19可见,车站墩柱(全高范围)的非线性响应最大位移顺桥向37.640mm,横桥向50.110mm。通过最不利轴力计算出的墩柱底的屈服曲率以及屈服位移、延性比汇总如表8所示(只列出位移较大的Y向(横桥向))。从表8可见,各墩柱计算出的非线性位移延性比μu均小于允许位移延性比[μu],允许位移延性比[μu]按《铁抗规》中7.3.3条取值为4.8。由此可以证明该结构在罕遇地震下,墩顶位移小于规范规定的限值,满足规范要求。2.2.2.墩顶容许位移参照《城桥抗规》中7.3.7条的规定,本结构采用非线性静力分析方法(pushover)分析,得出墩顶容许位移图如图21及图22所示。从图21、图22可见,X向、Y向罕遇地震作用下,曲线最高点横坐标均为120mm(巧合没有必然联系),即罕遇地震下容许位移值均为120mm。结构罕遇地震作用下最大响应位移值均小于容许值,满足要求。2.2.2.配筋及内力按现行《地铁规范》的规定,站台板下层纵横框架梁、墩柱、承台和桩基等与行车相关的构件,应参考《城桥抗规》中6.6节的规定:按能力保护原则计算内力及配筋。按能力保护原则计算出的配筋,可以满足按房屋建筑采用性能化设计中达到性能2(中震弹性)的目标计算出的配筋要求。通过对该种类型高架车站按桥梁结构遭遇的多遇地震、罕遇地震计算分析,可以看出结构在多遇地震作用下构件应力小于容许应力能保持弹性状态;结构在罕遇地震作用下最大响应位移远小于结构能承受的最大变形位移,说明罕遇地震作用下,结构不会倒塌。3振动特性分析通过对无轨道梁桥建合一高架三层地铁车站的详细抗震性能分析,可以得出以下几点结论,仅供业界同行参考。(