基于“建规”的横向双柱高架地铁车站抗震性能研究

罗少华

(杭州铁路设计院有限责任公司,浙江 杭州 310006)

基于“建规”的横向双柱高架地铁车站抗震性能研究

罗少华

(杭州铁路设计院有限责任公司,浙江 杭州 310006)

高架地铁车站集民建与桥梁于一体,其抗震性能分析需同时满足现行《地铁设计规范(GB 50157—2013)》《铁路工程抗震设计规范(GB 50111—2006)》《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》和《城市轨道交通结构抗震设计规范(GB 50909—2014)》的相关要求。现结合宁波至奉化城际铁路工程实例,按“建规”建立三维整体模型进行详细的抗震性能分析和专项论证,以便为基于“建规”的高架地铁车站抗震专项论证提供可供参考的分析全过程。

横向单跨；高架地铁车站；抗震性能

1 工程概况

宁波至奉化城际铁路近期工程线路全长21.589 km,其中地下线0.84 km,高架线20.439 km,过渡段长0.31 km(含U型槽段)。设站9座,均为高架车站。全线采用B型车6节编组,站台有效长度118 m。本文以笔者单位设计的其中一座高架侧式车站(方桥站)为例,详细阐述横向双柱高架地铁车站的抗震性能分析。方桥站横向柱跨为6.9 m,车站纵向柱跨为12 m,共10跨,车站总长度为121.4 m。站厅层柱截面尺寸均为1.5 m×1.5 m,站台板下层柱截面尺寸除两端四柱为1.5 m×1.5 m 外,其余均为1.4 m×1.2 m。车站共3层,分别为站厅层、站台板下层和站台层,站内轨道梁与车站站台板下层框架刚接,为桥建合一的框架结构形式。方桥站横剖面见图1。

图1 方桥站典型横剖面图

根据国家住建部于2008年10月8日颁布的1号令《市政公用设施抗灾设防管理规定》(以下简称《规定》)第二条及第十四条,本车站属现行《建筑工程抗震设防分类标准(GB 50223—2008)》[1](以下简称《标准》)中规定的重点设防类市政公用设施,应在初步设计阶段组织专家进行抗震专项论证。本站横向为双柱单跨结构,属现行《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》[2](2016年版)(以下简称《抗规》)第6.1.5条规定的不应采用的框架结构,符合《规定》中第十四条“超出现行工程建设标准使用范围的市政公用设施”的要求,应进行抗震专项论证。

2 基于“建规”的抗震性能分析

2.1 按振型分解反应谱法进行多遇(E1)地震作用分析

运用PKPM软件(v2.2)建立空间三维整体模型,见图2。

图2 PKPM三维整体模型

根据《标准》《抗规》及《宁波至奉化城际铁路工程场地地震安全性评价报告》[3](以下简称《安评》)的规定,选取抗震计算参数见表1。

表1 按“建规”计算的抗震设计参数表

PKPM-SATWE计算所得的结构振型周期见表2。

表2 结构前三阶振型周期表

由表2可见,第一周期为结构X向平动周期,第二周期为结构Y向平动周期,第三周期为结构第一扭转周期,扭转周期比(第一扭转周期与第一平动周期之比)为0.853,满足现行《高层建筑混凝土结构技术规范(JGJ 3—2010)》[4](以下简称《高规》)第3.4.5条的规定。

结构多遇地震作用计算的主要控制参数见表3。

本站结构1层与2层X向刚度比为57.18%,Y向刚度比为64.26%；2层与3层X向刚度比为21.15%<50%,Y向刚度比为79.49%,根据《抗规》第3.4.1条条文说明,相邻层间刚度比小于50%属特别不规则结构。按《抗规》第5.1.2条第3款需采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。

表3 结构抗震主要控制参数表

2.2 按弹性动力时程分析法进行多遇(E1)地震作用分析

本站按照《抗规》5.1.2条第3款要求进行多遇地震下的弹性动力时程分析。按《抗规》表5.1.2-2和表5.1.4-1及《安评》提供的本站100年超越概率63%的水平地震影响系数最大值0.115,本站时程分析所用地震加速度时程的最大值取35×0.115/0.08=50.32 cm/s2。本站选用2条天然地震波(TH2TG045和TH4TG045)和1条人工波(RH2TG045)进行弹性动力时程分析。规范反应谱与地震波平均谱对比图见图3。

图3 规范反应谱与地震波平均谱对比图

由图3可以看出,规范反应谱与地震波反应谱在结构主要振型的周期点上相差不大于20%,满足《抗规》第5.1.2条第3款中“多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符”的要求。弹性动力时程分析结果见表4。

由表4可见,3条地震波计算所得的结构底部剪力平均值大于振型分解反应谱法计算所得的底部剪力的80%,且每条地震波计算所得的结构底部剪力与振型分解反应谱法计算所得的底部剪力的比值大于65%,小于135%,满足《抗规》第5.1.2条第3款的要求。按弹性动力时程分析所得的结构最大层间位移角为1/1 006<1/550,结构倾覆力矩比为6.03>1,满足《抗规》要求。同时,弹性动力时程分析结果的结构底部剪力、楼层剪力层间位移角包络值均大于振型分解反应谱法计算结果,结构相关部位的构件内力和配筋应根据弹性动力时程分析结果作相应调整。

表4 地震波作用下结构底部剪力

注：PKPM-SATWE软件按振型分解反应谱法算得CQC组合的底部剪力,X向(顺桥向即纵向)为20 296.52 kN,Y向(横桥向即横向)为20 662.27 kN。

2.3 罕遇(E3)地震作用分析

2.3.1 弹塑性动力时程分析

根据《抗规》第3.4.4条第2款的要求,结构薄弱层应按《抗规》有关规定进行弹塑性变形分析。现采用弹塑性动力时程分析方法对本站结构进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。按《抗规》表5.1.2-2和表5.1.4-1及《安评》提供的本站50年超越概率2%水平地震影响系数最大值0.373,本站时程分析所用地震加速度时程的最大值取220 cm/s2。地震波时程曲线选用与多遇地震时程分析对应的3条地震波,按三向输入进行计算,三向加速度最大值比例按1∶0.85∶0.65。

采用上述3条地震波分别以X向及Y向为地震作用为主方向进行弹塑性动力时程分析,各地震波作用下的结构最大响应位移及最大层间位移角分别见表5、表6。

表5 地震波作用下结构最大响应位移

表6 地震波作用下结构最大层间位移角

由表5、表6可知,本站在罕遇地震下,X向最大层间位移角为1/264(站厅层),Y向最大层间位移角为1/295(站厅层),均小于《抗规》第5.5.5条规定的1/50,满足规范要求。

2.3.2 弹塑性静力分析

根据现行《城市轨道交通结构抗震设计规范(GB 50909—2014)》[5](以下简称《城轨抗规》)第5.4.3条,当用于弹塑性时程分析的地震波数量少于7条时,宜取时程法计算结果与反应谱法计算结果的较大值。现按照此条规定,对本站结构进行罕遇地震下的弹塑性静力分析(pushover分析),按X向和Y向分别计算。

X向、Y向罕遇地震下,需求-能力谱曲线分别见图4、图5。

图4 X向(顺桥向)罕遇地震下需求-能力谱曲线

图5 Y向(横桥向)罕遇地震下需求-能力谱曲线

由图4可见,能力曲线与需求曲线交点所对应的层间位移角为1/385,小于《抗规》第5.5.5条规定的1/50,同时也小于弹塑性时程分析结果值1/264,满足规范要求。

由图5可见,能力曲线与需求曲线交点所对应的层间位移角为1/477,小于《抗规》第5.5.5条规定的1/50,同时也小于弹塑性时程分析结果值1/295,满足规范要求。

3 结 语

通过对轨道梁与车站框架刚接的桥建合一高架三层地铁车站的详细抗震性能分析和专项论证,可以得出以下三点结论供业界同行参考。

1)在7度抗震设防区采用横向单跨的高架侧式车站,其抗震性能可以满足规范要求。

2)该类型车站一、二层结构纵向刚度较横向刚度小,这对其抗震较为不利,故设计时应适当加大其纵向柱的截面尺寸。

3)按照规范要求,该类型车站结构抗震设计应分别按“建规”和“铁规”两套规范体系进行多遇地震作用下的强度验算和罕遇地震作用下的性能分析,并应进行抗震专项论证,得到满足相应规范和规程要求的计算结果后才能用于施工图设计。

[1] 中国建筑科学研究院.GB 50223—2008建筑工程抗震设防分类标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2008．

[2] 中国建筑科学研究院.GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2016．

[3] 浙江省工程地震研究所.宁波至奉化城际铁路工程场地地震安全性评价报告[R].宁波：宁波市轨道交通集团有限公司,2015．

[4] 中国建筑科学研究院.JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010．

[5] 同济大学，天津市地下铁道集团有限公司.GB 50909—2014城市轨道交通结构抗震设计规范[S]. 北京:中国计划出版社,2014．

Study on the Seismic Behavior of the Elevated Metro Station with Horizontal Doubole Columns Based on the Building Regulations

LUOShaohua

2016-05-23

罗少华(1983—),男,浙江富阳人,工程师,从事建筑结构设计工作。

U231+.4

A

1008-3707(2017)03-0017-04