轨道交通高架车站结构抗震性能化设计

王伟涛

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

城市轨道交通车站在地面以上的称之为高架车站，车站具有一般地面建筑的特征和交通建筑的形态。其作为城市主要的交通网，承担着城市交通的主要功能[1]，其结构自身荷载大，安全等级高，结构抗震要求严格。因此高架车站结构设计的好坏将直接影响轨道交通整体的质量和安全。在现有的高架车站结构设计中，结构抗震设计方法是基于多遇地震作用下的结构弹性计算，以此作为结构或构件强度及变形设计基础，通过抗震等级对抗震措施及抗震构造措施等系数调整，来实现“强剪弱弯”、“强柱弱梁”等延性破坏，再通过罕遇地震作用下弹塑性位移角验算，来实现抗震基本的三水准设防目标[2]。

由于高架车站自身荷载大、长宽比高、竖向刚度不均匀、大开洞(楼扶梯洞口)等特点，在多遇地震作用下薄弱层补充验算、中震地震作用下结构性能计算及罕遇地震作用或偶遇地震作用下结构性能计算往往未能进行；另一方面，真实地震对结构产生的作用是动态的、 随机的和复杂的，采用静力的方式考虑地震作用具有一定局限性[3]，不能真实地反映结构在地震作用下全生命周期的状态。随着抗震弹塑性分析、时程分析理论和计算软件的日趋成熟，基于抗震性能化设计对于重大项目得以实现。可以根据结构的重要性及震后可恢复功能等特点对结构及构件确定合理的性能化目标及性能化指标[4]。以此来实现对结构在不同设防烈度、场地条件、建筑重要性等条件下采取不同的性能目标和抗震措施；以此来发现结构的薄弱层和薄弱构件从而进行加强，使结构具有更可靠的抗震性能。GB 50909-2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》及GB5011-2010《建筑抗震设计规范》明确了高架车站结构性能等级和性能要求，但规范并未给出相关性能目标的计算参数、验算指标、操作思路和计算方法[5]。

针对西安轨道交通5号线高架车站结构性能化设计，对结构及构件在不同性能目标下明确设计参数和指标，采用地震反应谱分析、弹性时程分析、静力弹塑性分析及动力弹塑性分析进行具体的设计和验算，从中发现结构设计中存在的不足，为同类型工程设计的具体操作思路和计算方法提供借鉴和参考。

1 工程概况

西安轨道交通5号线高架车站结构采用“桥建合一”结构体系(双墩柱托四柱的框架结构)，轨道结构与主体结构的连接采用刚接形式，其建筑效果见图1。车站总长118 m，车站主体宽21.6 m，站台宽11.8 m。纵向柱网为13 m，横向双柱轴距为10.8 m，盖梁悬臂4.9 m，布置于路侧，站台层雨棚采用钢结构。地面层双墩柱截面为2.2 m×2.0 m，站厅层四柱截面为边柱1.0 m×1.0 m，中柱截面为1.1 m×1.1 m；站台层柱截面为0.5 m×0.5 m，其车站典型横剖面见图2。

图1 高架车站主体结构及雨棚整体效果图

图2 高架车站典型横剖面(单位：mm)

2 结构设计参数取值、性能化目标及地震波选取

在工程结构设计中荷载是结构设计的重要依据，取值的合理性将直接影响结构的安全性、使用性和经济性。高架车站在结构计算时应考虑的荷载有：结构自重、恒荷载、列车荷载、地震作用、人群荷载、温度效应、风荷载和雪荷载等。

2.1 设计参数

高架车站结构设计使用年限为100年[6]，车站的抗震设防类别为重点设防类(乙类)，耐久性为100年，结构安全等级为一级，结构重要性系数γ0=1.1。

(1)列车荷载[7]：本工程采用B型车，轴重P=140 kN，6B编组，采用MIDAS-CIVIL模型对于移动荷载工况施加进行计算，采用SATWE/YJK模型按照有限元软件梁弯矩及剪力包络等效取线荷载施加进行计算[8-9]，对于承受其他相关的列车荷载按照文献[7]取值。

(2)地震作用：西安市抗震设防烈度为8度，基本地震加速度值0.20g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，地震动反应谱特征周期值Tg=0.40 s。根据GB5011—2010《建筑抗震设计规范》及CECS160:2004《建筑工程抗震性态设计通则》可以得到，设计使用年限为100年时结构的地震作用其调整系数范围取1.3～1.4，因此取αmax=0.224；根据GB50909—2014《城市轨道交通抗震设计规范》E1地震作用αmax=0.1×2.5=0.25取值，综上所述αmax=0.25。

(3)其他荷载：人群荷载[7]、基本风压、基本雪压、温度效应等按照GB50009—2012《建筑结构荷载规范》取值。

2.2 性能化目标

根据GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》地震动水准E1、E2、E3确定抗震性能要求。

(1)性能要求Ⅰ：地震后不破坏或轻微破坏，应能够保持其正常使用功能；结构处于弹性工作阶段；不应因结构的变形导致轨道的过大变形而影响行车安全。

(2)性能要求Ⅱ：地震后可能破坏，经修补，短期内应能恢复其正常使用功能；结构局部进入弹塑性工作阶段。

(3)性能要求Ⅲ：地震后可能产生较大破坏，但不应出现局部或整体倒毁，结构处于弹塑性工作阶段。

根据本工程结构构件重要性及可靠性要求，定义转换柱、转换梁为关键构件，除转换柱外的竖向构件为普通竖向构件，框架梁为耗能构件。按照结构构件的性能要求[10-11]，根据GB5011—2010《建筑抗震设计规范》小震、中震、大震下确定各构件抗震性能水准见表1。在模型计算时对结构及构件按性能水准进行具体定义，结构及构件应按各性能水准满足规范要求的计算结果包络确定最终的布置、截面及配筋等[2]。

表1 各构件抗震性能水准

2.3 地震波

地震波应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录数量不应少于总数的2/3，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[2]。

(1)所谓“在统计意义上相符”指的是，多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差≯20%。

(2)计算结果在结构主方向的平均底部剪力一般不会小于振型分解反应谱法计算结果的80%，平均≯120%。

(3)每条地震波输入的计算结果不会小于65%。从工程角度考虑，这样可以保证时程分析结果满足最低安全要求。但计算结果也不能太大，每条地震波输入计算≯135%。

3 结构抗震性能化设计

根据高架车站建筑方案要求，分别采用有限元软件MIDAS-CIVIL和弹性及弹塑性分析软件 PKPM-SATWE和YJK建模进行计算，模型如图3、图4所示。

图3 双墩柱车站MIDAS模型

图4 双墩柱车站SATWE/YJK模型

3.1 小震作用下弹性计算

对于高架车站结构，此类结构既不是典型的桥类，也不是典型的建筑结构类，弹性设计必须综合桥与建筑结构的分析计算方法[12]，同时综合性的选择两种规范相关要求进行分析设计，结构设计时采用偏于桥梁软件 CIVIL和偏于建筑结构软件SATWE进行对比分析。结构在两种软件小震作用下反应谱计算分析见表2。

表2 结构在小震作用下弹性计算分析对比结果

从表2可以得出两种软件的计算结果接近，有效质量系数均大于90%，计算振型数足够；结构周期比、层间位移角，最大位移比及纵横桥向位移均满足规范限值的要求。表明计算结果合理可信，可以作为设计依据。

3.2 小震作用下弹性时程补充计算

对于高架车站结构平面不规则、竖向构件不连续、楼面大开洞不规则(站台层楼扶梯洞口)，需进行小震弹性时程分析法补充计算[2]；根据弹性时程分析结果初步分析结构的薄弱部位，并进行相应的设计调整。

选用的地震波共7条，包括多遇地震下的5组实际地震记录及2组场地合成人工波，7条地震波的频谱特性、有效峰值、持续时间等地震动三要素均符合要求，地震波满足选波的要求。采用小震弹性时程分析软件YJK进行分析，计算结果见表3。

表3 基底最大总剪力及最大层间位移角

由表3结果可看出：

(1)高架车站结构各条地震波的底部剪力均≮反应谱法的65%且≯135%，7条地震波的底部剪力平均值不小于反应谱法的80%且≯120%，满足规范[2]5.1.2条的要求，最大位移角满足规范限值1/550的要求；

(2)由弹性时程结果与规范反应谱结果对比可知，7条地震波弹性时程分析的剪力平均值与反应谱分析结果接近，部分选定的地震波作用下的基底剪力值略大于反应谱计算结果，施工图设计时可将该范围楼层最大剪力放大相应倍数进行构件配筋设计，使其能包络时程分析的结果。

3.3 设防烈度地震作用下的结构验算

城市轨道高架车站属于重点设防、100年设计使用年限的重要性建筑，且设防烈度地震作用下结构构造措施的调整不能真实反映结构的受力状态，应按中震弹性进行结构设计[12]，其材料强度采用设计值，不考虑剪重比、薄弱层、0.2V0(V0为结构底层总剪力)调整等地震力调整，考虑荷载分项系数，考虑抗震承载力调整系数[13]。这就使设计的结构及构件既在中震作用下处于弹性状态，又从一定程度上保留了结构的安全度和可靠度[14]。采用中震弹性时程分析软件YJK进行分析，设计参数见表4，计算结果见表5。

表4 中震性能设计参数

表5 中震主要计算结果

结果表明，高架车站结构在设防烈度地震作用下，结构基底剪力为多遇地震基底剪力的比值，约为2.85倍[13]，地震作用量级合理。在中震作用下，高架车站竖向结构位移角满足文献[15]1/250 rad限值要求。关键构件、一般竖向构件及水平耗能构件均可控不超限(结构未超筋)。转换部分结构总体能满足“无损坏”要求；转换层以上结构总体能满足“轻微损坏”要求。

3.4 罕遇地震作用下结构静力弹塑性验算及动力弹塑性验算

高架车站结构在罕遇地震作用下的验算常为弹塑性位移角的验算，未能真实地反映结构的各种响应、结构进入塑性的先后次序、结构整体进入塑性的程度[16]，以及结构的薄弱部位和薄弱构件。当按大震不屈服进行结构弹塑性设计时，其材料强度采用标准值，不考虑剪重比、薄弱层、0.2V0调整等地震力调整，不考虑荷载分项系数，不考虑抗震承载力调整系数。采用YJK编制的Pushover Analysis进行大震下静力弹塑性分析，采用中国建筑科学院编制的PKPM-SAUSAGE软件进行大震下动力弹塑性分析[17]，设计参数见表6。本结构罕遇地震作用下弹塑性时程分析选取1条人工波和2条天然波。

表6 大震性能设计参数

(1)大震作用下结构静力弹塑性分析

高架车站结构在罕遇地震作用下结构静力弹塑性分析[18]能力曲线见图5～图6，结构最大层间位移角见图7、图8，结构在大震作用下的静力弹塑结果见表7。

图5 X方向能力曲线

图6 Y方向能力曲线

图7 X方向最大层间位移角

图8 Y方向最大层间位移角

(2)大震作用下结构动力弹塑性分析

本结构在罕遇地震时程分析时选取1条人工波和2条天然波，地震波选取满足选波的要求。

①人工波：RH1TG045。

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

表7 大震主要计算结果

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

各地震波[19]反应谱曲线和主次方向时程曲线变化如图9所示。

图9 地震波反应谱与规范谱曲线

高架车站结构在大震作用下结构动力弹塑性分析[20]结构损伤见图10，各工况下的基底剪力对比见表8，结构顶点最大位移及最大层间位移角见表9。

图10 结构损伤云图

表8 动力弹塑性各工况下的基底剪力对比

表9 动力弹塑性位移及位移角结果统计

通过结构在大震作用下的弹塑性分析，结合结构整体反应指标和结构构件的抗震性能分析可得出如下结论。

(1)罕遇地震作用下静力弹塑性分析时，由计算结果可知罕遇地震作用下结构基底剪力与多遇地震基底剪力的比值为4.9倍，地震作用量级合理；由能力曲线图可知谱曲线与需求谱曲线交于能力谱的直线部位，表明结构抗震性能良好。

(2)罕遇地震作用下静力弹塑性分析时，需求点对应的加载步下各层的X向层间位移角和Y向层间位移角均小于1/50 rad，满足规范限值要求。

(3)罕遇地震作用下动力弹塑性分析时，结构基底剪力为多遇地震基底剪力的2.5～5倍[21]，地震作用量级合理；各工况动力弹塑性位移角均满足规范罕遇地震下层间位移角1/50 rad的限值要求。

(4)根据结构损伤云图可知，墩柱底轻微损坏已进入塑性阶段，框架结构的竖向构件(关键构件)大部分轻微损坏，局部轻度损坏，转换构件(关键构件)大部分均为轻微损坏，框架梁(耗能构件)基本为轻度损坏，基本满足性能目标的要求。但是局部转换梁(边梁)由于承受区间桥梁荷载较大重度损伤，应对其局部不满足要求的构件通过调整截面或配筋，直至满足要求。

4 结论

(1)采用不同单位编制的不同力学模型软件MIDAS-CIVIL和PKPM-SATWE分别对结构进行小震下弹性计算分析，结果表明计算结果吻合较好，可作为设计依据。

(2)根据选定的性能目标，确定抗震性能水准；对中震、大震下的抗震设计定义参数，采用软件分别对结构进行小震、中震、大震下的性能水准进行计算；指出工程设计的具体操作思路和计算方法，结构在中震地震作用下满足性能水准的要求。

(3)高架车站结构分别采用YJK和PKPM-SAUSAGE软件对结构进行静力弹塑性和动力弹塑性分析，评价结构的抗震性能，验证结构能否满足大震下性能水准要求，掌握结构大震下损伤情况，对存在的薄弱部位构件采取针对性加强措施。

(4)通过对高架车站抗震三水准的计算分析，实现对结构全生命周期内地震分析，对重要构件及结构进行性能化设计，对存在的不利结果进行加强，使结构具有更可靠的抗震性能，为以后高架车站结构同类型工程设计提供借鉴和参考。