中川机场空铁联运交通综合体地震响应分析

贾 坚 刘传平, 袁 勇 李 翀 张劭华

(1.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司， 200092， 上海； 2.同济大学地下建筑与工程系， 200092， 上海；3.同济大学土木工程防灾国家重点实验室， 200092， 上海； 4.中国建筑第二工程局有限公司华东公司，200135， 上海∥第一作者， 正高级工程师)

随着国家城市化进程的不断加快和交通强国战略的持续推进，空铁联运综合交通枢纽成为城市交通建设上的一大创新。它将航空、高速铁路、城际铁路、地铁等多种交通方式结合在一起，能充分发挥机场交通枢纽、轨道交通的综合效益，引导交通设施与各项城市功能的有机融合，成为城市空间集约化利用的重要途径[1]。目前建成的有上海虹桥、武汉天河、成都双流、郑州新郑、北京大兴机场等综合交通枢纽。

空铁联运综合交通枢纽是由机场航站楼、铁路车站、地铁车站、综合交通换乘中心和临近地表结构等共同组成的新型结构形式，各部分结构并行汇集，立体交叉重叠，结构形式复杂，断面差异大[2]。空铁联运综合交通枢纽涵盖地表和地下结构，与周围岩土介质构成了一个复杂的相互作用体系，地震响应的空间效应显著。特别是在高烈度区，空铁联运综合交通枢纽一旦遭到地震破坏，将会给城市机能产生严重影响。因此，深入研究空铁联运综合交通枢纽结构的抗震性能显得尤为重要。

目前关于机场航站楼、铁路车站、地铁车站等单体结构的抗震研究成果十分丰富[3-6]，但是针对集机场航站楼、综合交通换乘中心、铁路车站、地铁车站等于一体的大型复杂交通枢纽结构的抗震研究报道较少，其地震响应的空间效应如何未知。因此，本文针对兰州中川国际机场T3航站楼空铁联运综合交通枢纽结构，研究其在设防地震下的抗震性能，分析其地震响应的空间效应，为工程的抗震设计提供技术依据。

1 工程概况

兰州中川国际机场T3航站楼综合交通枢纽总建筑面积约70万m2，其中，T3航站楼40万m2，综合交通中心(GTC)27万m2。设计范围如图1所示。规划高铁兰州至张掖线、地铁5号线在T3和GTC下方设站且同步建设。中川机场综合交通枢纽区域结构布置如图2所示，由北至南，区域内主要包括T3航站楼区域、国铁和地铁候车厅区域以及GTC交通中心区域[7]。

图1 中川机场T3航站楼及GTC综合交通中心设计范围

1) T3航站楼:总长约893 m，总宽约854 m，分为主楼和指廊，主体结构采用钢筋混凝土框架结构体系。主楼为地上三层、地下一层结构。地下一层为换乘厅，地上二层到达层可通过换乘连廊前往GTC换乘中心。

图2 中川机场综合交通枢纽区域结构布置Fig.2 Structural layout of Zhongchuan Airporttransportation hub

2) GTC：位于T3航站楼南侧，为地上二层、地下三层结构，其横断面如图3所示。地上二层为换乘层，通过换乘连廊通往航站楼；地下三层为铁路和地铁的站台层。GTC建筑主体采用钢筋混凝土框架结构，局部采用钢结构，中部钢拱架最高点标高为24 m。换乘中庭两侧各外扩一跨(9 m)设缝，与停车楼裙房结构完全断开。中庭与周边裙房的总长度约为200 m，总宽度约为118 m。

图3 GTC换乘大厅横断面Fig.3 Cross section of GTC transfer hall

3) 国铁车站:兰州至张掖高铁三四线穿过T3航站楼及GTC。车站位于航站楼中轴线西侧，规模为2台2线，总长600 m，其纵剖面如图4所示。该范围内车站部分有站厅和站台两层，部分仅有站台一层。站台层底板标高为-21.0 m，顶板标高为-11.0 m。国铁车站标准段横向宽度为31.5 m，车站沿横向中点布置中柱，中柱沿车站纵向间距为9 m。

4) 地铁车站：地铁5号线机场站与国铁机场站平行设置于中川机场T3航站楼南侧，车站沿南北向布置，为地下二层岛式站台车站。地铁车站总长460 m，其中约60 m位于T3航站楼下方，其纵剖面如图5所示。该范围内车站部分有站厅和站台两层，部分仅有站台一层。站台层底板标高为-19.0 m，

图4 国铁车站纵剖面

图5 地铁车站纵剖面Fig.5 Longitudinal section of metro station

顶板标高为-11.0 m。车站标准段横向宽度为27.3 m，沿横向对称布置两根中柱，两根柱沿横向间距为8.8 m，与各自方向墙体相距8.35 m，中柱沿车站纵向间距为9 m。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

建立包括国铁车站和区间隧道、地铁车站和区间隧道、T3航站楼、GTC在内的整个机场区域地下和地上结构的简化模型，开展结构抗震性能分析。简化模型如图6所示。

图6 有限元计算模型Fig.6 Finite element calculation model

1) 地下部分的国铁和地铁车站结构及区间隧道采用地基梁模型模拟，梁结构采用三维Timoshenko梁单元，地基采用Winkler模型；

2) 地上部分的航站楼和GTC结构采用质量-弹簧模型模拟，楼板简化为质点，柱简化为弹簧单元；

3) 地基梁横断面参数按照设计图纸分段设置，地基弹簧参数沿车站纵向变化由代表性横断面参数插值得到。

考虑模型纵向两端的边界效应，对于国铁线路，建模长度为：100 m(计算边界)+100 m(铁路区间段)+230 m(车站段)+210 m(GTC段)+110 m+50 m(T3航站楼段)+100 m(铁路区间段)+100 m(计算边界)。对于地铁线路，建模长度为：100 m(计算边界)+100 m(地铁区间段)+180 m+210 m(GTC段)+110 m+50 m(T3航站楼段)。国铁线路和地铁线路的中心距为57 m。鉴于车站柱的纵向间距均为9 m，简化模型中梁单元尺寸定为2.25 m。

2.2 计算参数

2.2.1 地层参数

工程场地钻孔揭露的土层分布及参数如表1所示。场地土类型为中软～中硬土，场地类别为Ⅱ类。

表1 地层参数

2.2.2 地基弹簧和阻尼系数

地基梁模型将周围岩土体介质等效为一系列的土弹簧和阻尼单元。水平纵向土弹簧刚度系数Kx和水平横向土弹簧刚度系数Ky计算公式为：

(1)

竖向土弹簧刚度系数Kz计算公式为：

(2)

式中:

L——入射波波长；

d——圆形结构直径或矩形结构宽度；

ν——泊松比。

地基梁模型的阻尼单元为辐射阻尼，与土体的性质、结构的尺寸和形式、埋深等都有关系。从土和结构的相对运动方向和接触面积来分析，水平纵向阻尼系数Cx、水平横向阻尼系数Cy和竖向阻尼系数Cz的计算公式分别如下：

Cx=ρVsπd

(3)

Cy=Cz=ρVsd+ρVLad

(4)

(5)

式中：

VLa——Lysmer类波速。

根据以上公式，泊松比ν取0.3，可计算得到地基梁模型中的土弹簧刚度和阻尼系数，详见表2。

从客观角度，木兰溪防洪工程具有一定的公益性，是一项民生项目，在对其进行建设的过程中，主要以政府的资金投入为主。但是在对防洪基础设施进行建设的过程中，缺乏配套的旅游以及环保等资金的共同投入，并且缺乏创新性的投融资机制，使木兰溪的防洪以及休闲等综合功能在建设过程中受到一定的阻碍。

2.2.3 上部结构参数

结构柱的水平向抗侧移刚度kx,y计算公式为：

表2 土弹簧刚度和阻尼系数

(6)

竖向抗压刚度kz计算公式为：

(7)

式中：

E——柱的弹性模量；

I——柱截面的惯性矩；

h——柱的高度。

柱的混凝土等级取C40，弹性模量E=32.5 GPa。柱的截面尺寸为1 000 mm×1 300 mm(横向×纵向)，纵向间距均为9 m，横向跨度为9.8 m或9.15 m，层高为6 m。根据以上公式计算可得：单根结构柱的水平横向弹簧刚度为196 MN/m，水平纵向弹簧刚度为330 MN/m，竖向弹簧刚度为42 250 MN/m。

上部结构每层楼板的质量和层间弹簧刚度的计算结果详见表3。

表3 楼板质量和层间弹簧刚度计算

2.2.4 地震波输入

根据工程场地地震安全性评价[8]，场地基本烈度为Ⅶ度。因此，选用100年超越概率10%的设防地震的人工波，其加速度时程和频谱如图7所示。峰值加速度为0.24g，主频为2.75 Hz。

计算时地震波分别沿车站结构横向和纵向输入，同时考虑地震波分别沿GTC至T3航站楼方向、T3航站楼至GTC方向传播，行波波速为500 m/s。计算工况如表4所示。

a) 时程曲线

表4 计算工况Tab.4 Calculation conditions

3 结构地震响应

根据简化模型，提取车站结构的地震响应。图8和图9分别为设防地震下国铁车站和地铁车站结构的水平横向弯矩和轴向拉力响应包络图。

a) 工况1

b) 工况2图8 设防地震下车站结构水平横向弯矩响应包络

a) 工况3

b) 工况4图9 设防地震下车站结构轴向拉力响应包络Fig.9 Envelope of station structure axial tensile responseunder fortification earthquake

从图8可以看到，在地震波沿车站结构横向输入工况下，国铁车站和地铁车站的水平横向弯矩的分布规律为沿结构纵向呈起伏变化。在区间段、车站段和GTC段内的结构弯矩均较为平缓，而在区间段与车站段、车站段与GTC、GTC与候车厅、候车厅与T3航站楼等交接处的结构弯矩出现明显的突变和起伏。这主要是不同区段交接处的结构刚度和上部质量分布发生了突变。进入GTC段后，车站结构上面增加了GTC换乘厅的上部结构质量，而到了候车厅段，车站没有了上部结构质量，但候车厅的存在增大了车站结构的横断面刚度。因此，结构弯矩突变以GTC段两端尤为突出，在车站段与GTC之间，车站的弯矩突变值约400～600 MN·m；在GTC与候车厅之间，地铁车站的弯矩突变差值达到约600 MN·m，而国铁车站的弯矩突变差值更是超过800 MN·m。这说明GTC换乘厅的屋盖系统结构与其下的车站结构之间产生了协同作用，其对车站结构局部的地震响应有较大影响，影响范围根据弯矩突变点的位置大约在距GTC两端为0.5倍结构横向跨度内。另外，国铁车站由于结构横断面刚度更大，其水平横向弯矩整体上比地铁车站结构的更大(约500 MN·m)。对于不同的地震波传播方向，车站结构的弯矩分布规律近似，仅当地震波沿GTC至T3航站楼方向传播时，结构弯矩的最大值略有增大。

从图9可以看到，在地震波沿车站结构纵向输入工况下，国铁车站和地铁车站的轴向拉力的分布规律为沿结构纵向呈阶段变化。从区间段开始，国铁车站和地铁车站结构的轴向拉力不断增大，至GTC段起点达到最大，进入GTC段后呈先减小后增大的弯曲状，从GTC终点开始轴向拉力又不断减小。整体而言，由于GTC段起止点车站结构刚度和上部质量分布有较大突变，这两个位置结构的轴向拉力均达到局部最大。相较而言，国铁车站比地铁车站结构的轴向拉力整体上更大(约2 000 MN)。对于不同的地震波传播方向，车站结构的轴向拉力沿结构纵向的分布规律近似，仅当地震波沿GTC至T3航站楼方向传播时，结构轴向拉力的最大值略有增大。

综合以上分析，在国铁车站和地铁车站结构刚度和上部质量分布变化的位置，如GTC段起止点，特别是GTC与候车厅交接处，其内力响应产生显著突变或达到局部最大，是结构抗震设计应重点关注的部位。建议在GTC与候车厅之间设置变形缝，以控制结构在地震作用下的内力突变。

4 结语

本文采用三维简化结构模型分析设防地震作用下兰州中川机场综合交通枢纽结构的地震响应，得到如下结论：

1) 国铁车站和地铁车站结构断面变化及其上部GTC、候车厅、换乘厅、航站楼等建筑质量分布导致的结构刚度和质量变化，会使得不同功能交换连接区域的内力响应产生显著突变或达到局部最大。轴向拉力在刚度和质量突变点达到最大，弯矩突变点约在距结构刚度和质量突变点为0.5倍结构横向跨度的位置。

2) GTC跨越车站结构的纵向起止点是抗震设计应重点关注的部位。建议在GTC与候车厅之间设置变形缝，以控制地震作用下结构内力响应的突变。