罕遇地震作用下高架地铁车站抗震分析

胡 宁 陈丽军 李 运 文小和 刘 璐

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司 武汉 430023）

1 工程概况

某轨道交通工程地铁车站为高架3层车站，采用“建、桥”合一的结构体系，一层为地面层，二层为站厅层，三层为站台层.车站主体结构为钢筋混凝土框架结构，一层采用双墩柱加盖梁结构，基础采用柱下承台桩基础方案［1－2］.车站总高约23.68m.车站有效站台总长151m，净宽10.8m.车站结构布置示意见图1.

图1 某地铁高架车站布置示意图（单位：m）

根据文献［3］，本高架车站工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组.为了掌握该地铁高架车站在地震作用下的受力情况，并检验其在场地的安评地震波作用下是否达到其抗震性能目标，本文对其进行了罕遇地震作用下地震分析.

2 高架车站结构有限元分析模型

采用桥梁分析专用软件 MIDAS／Civil建立地铁高架车站有限元模型进行抗震分析，建模时站厅层、站台层采用板单元模拟，轨道梁、盖梁、墩柱、承台、桩基均采用空间梁单元来模拟，为分析结构在罕遇地震下的非线性时程位移，对墩柱顶底部采用纤维梁单元进行模拟，同时对桩基边界可由“m”法计算出土弹簧刚度后采用节点弹性支撑来模拟桩－土效应.为了模拟结构整体的地震响应，计算以整体高架车站为对象，同时考虑两侧桥梁的影响以支座反力加在两侧边盖梁上.计算有限元模型见图2.

图2 车站有限元模型

3 罕遇地震下墩柱延性验算

根据文献［3］中7.3.3条，在罕遇地震作用下应进行墩柱的延性比验算.本文对罕遇地震下地震作用采用非线性时程分析方法，将有限元模型中的墩柱顶底部采用纤维梁单元模拟，地震作用下的位移采用有限元模型计算安评地震波作用下墩顶最大位移.屈服位移采用Pushover计算出结构顺桥向或横桥向受力最大钢筋屈服时的墩顶位移.利用非线性时程分析方法计算出墩柱罕遇地震下位移，计算得墩柱延性比见表1～2.墩柱延性比小于4.8，满足文献［3］要求.

表1 顺桥向墩柱延性比

由以上罕遇地震下计算结果可知，墩柱延性比均小于4.8，满足规范要求，且墩柱罕遇地震下最大弯矩均小于相应截面最不利轴力对应的等效屈服弯矩，墩柱未进入塑性工作范围.

4 罕遇地震下能力保护构件验算

为了降低罕遇地震下高架车站的修复难度，本文参考文献［4］规定，提出在罕遇地震下，钢筋混凝土墩柱作为延性构件产生塑性变形耗散地震能量，而将盖梁、基础等采用能力保护设计方法进行设计，保证在罕遇地震下墩柱先于盖梁、基础等发生破坏［5－6］.

4.1 盖梁的能力保护验算

由上述分析可知，盖梁下方墩柱在罕遇地震作用下，墩柱弯矩未达到等效屈服弯矩，因此可按罕遇地震的地震力计算结果对盖梁进行能力保护验算，盖梁的抗力强度计算取用材料的标准值［7－10］，见表3.

由表3可知，盖梁的抗力强度大于盖梁可能在罕遇地震中承受的最大、最小内力，满足能力保护要求.

4.2 承台的能力保护验算

在罕遇地震作用下，现有配筋条件下的墩柱弯矩未达到等效屈服弯矩，可按地震波的计算结果进行承台能力保护验算，抗力强度计算取用材料的标准值.由于篇幅限制本文仅列出最不利工况下承台能力保护验算结果，见表4.

表2 横桥向墩柱延性比

表3 罕遇地震下盖梁能力保护验算结果

表4 罕遇地震下承台能力保护验算结果 kN

由表4可知，承台的抗力强度大于承台可能在罕遇地震中承受的最不利内力，满足能力保护要求.

4.3 桩基的能力保护验算

在罕遇地震作用下，墩柱弯矩未达到等效屈服弯矩，承台满足能力保护设计要求，因此桩基可按地震波的计算结果进行能力保护验算，抗力强度计算取用材料的标准值.

桩基取最不利工况进行能力保护强度验算，结果见表5.

表5 罕遇地震下桩基能力保护验算结果

由表5可知，桩基的抗力强度大于其可能在罕遇地震中承受的最不利内力，满足能力保护要求.

5 结 论

针对本高架地铁车站建立的整体结构有限元模型，通过对该车站进行的罕遇地震作用下的非线性时程分析及相应构件的能力保护验算，得到结论如下.

1）在罕遇地震作用下，该地铁高架车站墩柱延性比均小于4.8，满足规范要求；且墩柱罕遇地震下最大弯矩均小于相应截面最不利轴力对应的等效屈服弯矩，墩柱未进入塑性工作范围.

2）为了降低罕遇地震下高架车站的修复难度，本文参考城市桥梁抗震设计概念，提出在罕遇地震下，将钢筋混凝土墩柱作为延性构件产生塑性变形耗散地震能量，而将车站盖梁、承台及桩基础等采用能力保护设计方法进行设计，使其在罕遇地震下处于弹性状态，保证了罕遇地震下墩柱先于盖梁、承台、桩基等发生破坏从而为震后及时发现和修复车站结构创造有利条件.

［1］克拉夫.结构动力学［M］.彭 津，王光远，译.北京：高等教育出版社，2006.

［2］谢 旭.桥梁结构地震响应分析与抗震设计［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［3］中华人民共和国建设部.GB 50111－2006铁路工程抗震设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2009.

［4］中华人民共和国建设部.CJJ 166－2011城市桥梁抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［5］中华人民共和国建设部.GB50157－2013地铁设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

［6］中华人民共和国建设部.TB10002.1－2005铁路桥涵设计基本规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［7］中华人民共和国建设部.TB10002.3－2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［8］中华人民共和国建设部.TB10002.5－2005铁路桥涵地基和基础设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［9］中华人民共和国建设部.JTG D62－2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2005.

［10］武汉地震工程研究院有限公司.武汉市轨道交通机场线工程场地地震安全性评价报告［R］.武汉：武汉地震工程研究院有限公司，2014.