高架车站桥建组合结构体系的地震响应分析

刘 杰

（南昌轨道交通设计研究院有限公司，江西 南昌）

前言

高架车站相对地下车站有造价低、工期短的特点，能够与周边建筑景观相融合的结构形式。近年来，伴随着高架在更多城市交通建设与发展中的应用，对于高架高架车站上盖结构的研究也逐渐增加[1]。考虑城市土地空间的有限性和规划建设的复杂性，对高架车站上盖结构的施工建设，会受到较多因素的影响和限制。其中，抗震性能与高架车站的地基承载力和结构稳定性都有着密切的联系。

1 工程概况

白马山站为南昌市轨道交通4 号线工程的起点站，主要为高架三层半鱼腹岛式车站，站后设单渡线。车站结构型式为“桥-建”组合结构体系，车站西端采用10 米标准站台宽度，东端采用鱼腹式站台，有效站台中心里程SK0+156.000，车站起点里程为SK0+097.000，车站终点里程为SK0+241.018，长度为144 m，车站轨面线距地面高14.6 m。工程总长144.017 m，位于岗埠地貌单元，工程勘察阶段受新修道路影响，存在有一层较厚的填土层，厚度约为0.50～6.30 m；下伏基岩为白垩系上统南雄组(K2n)红层，岩性为泥质粉砂岩。基于这一特点，该工程选择钻孔灌注桩的方案进行施工设计，将中风化泥质粉砂岩层作为桩基础的持力层。

2 数值模型的构建

白马山站车站桥梁结构，桥梁结构全长144 m，单跨12 m，墩柱、盖梁、站厅横梁、立柱及轨道梁采用C50 混凝土，容重取26.0 kN/m3。盖梁采用预应力结构，其他采用钢筋混凝土结构，天桥均采用600 KN双支座加载。该工程采用MIDAS 2015 程序进行建模分析。全桥共3 829 个节点，4 778 个单元。同时采用PKPM 用进行受力计算。

在构建数值模型的过程中，主要基于以下公式：

式中，Kref代表压缩性参考系数；Pref代表参考压力；m 代表指数，通常取值在0-1 之间。

构建模型主要是基于非线弹性和塑性模型的原理，通过对弹性应力以及应变关系的计算，应用切线压缩模量来代替表土-结构的静水压力函数。

在此基础上，对模型的混凝土结构应用弹性本构模型，围绕弹性模量和泊松比两个参数，基于应力与应变之间正比例的关系，可以实现对于模型参数的计算。就目前来看，数值模型的求解流程见图1。

图1 数值模型的求解流程

3 “桥- 建”组合结构体系的地震响应分析

横向双柱高架车站墩柱结构，轨道梁及其支承结构按铁路桥梁规范进行内力设计，按现行国家标准《铁路工程抗震设计规范》(GB50111) 的有关规定进行抗震设计，抗震设防类别为B 类，采用车站整体结构模型，计入站台层、站厅层的刚度影响，计算时计入一条100%竖向静活载和50%站台人群荷载。

材料、地基容许应力和单桩轴向容许承载力的提高，应按现行《铁路工程抗震设计规范》(GB50111)的有关规定执行。站台层、站厅层结构及与墩柱、横梁的连接，按现行国家标准《建筑结构抗震设计规范》（GB50011）的有关规定进行抗震设计及设防。

为实现对车站抗震工况的分析，构建基于实际工况的三维数值模型，流程见图2。考虑高架车站地震响应通常从高架车站的横断面入手，本文对桥建组合结构体系的地震响应分析也基于这一特点进行计算模型的构建[2]。

图2 三维数值模型构建流程

3.1 地震响应监测点的设置与分析

取高架车站混凝土框架结构区域的某一个断面，对高架车站的中柱进行依次编号，借助模型呈现高架车站结构断面的水平向位移情况，明确层间位移角的大小。在对水平向位移情况进行分析之后，发现该项目的高架车站横断面变形为剪切型，且不同区域的变形情况基本一致。在此基础上，需要从高架车站结构的墙板弯矩、中柱弯矩、加速度以及层间位移角和剪力大小等数值方面入手，进一步探讨上盖结构的地震响应规律。

而对于土体地震相应的分析，则重点从土体的加速度和变形情况两方面进行分析。在实际监测中，应基于人工波的作用，在构建的自由场模型以及结构-地层模型中，选取5 个不同位置的土地加速度进行监测分析，以绘制土体竖向高度变化曲线的方式，获得模型中高架结构墩柱顶底出现的最大位移时刻所对应的加速度。而对于土体变形情况的分析，则主要通过绘制在不同位置下土体水平向位移变化情况的方式，模拟现实环境中的地震作用，考虑受到地震作用的影响，同一水平方向上的自由场土体水平向变形较为均匀，因而土体的水平向变形应处于相等的状态。但由于土体变形规律与自由场不同，对土体水平向的位移变化影响也存在差异，需要通过模型来对具体的位移变化情况进行分析[3]。

在这一过程中，引入自由场单元以及弹簧单元的概念，在注重消除计算误差的同时，也能够实现对于土-结构之间相互作用的模拟。其中，设定高架车站结构围岩属性计算水平以及竖直方向上的地基反力系数分别为K、K，则可以基于以下公式进行计算：

式中，E0代表岩土的弹性模量，α 代表基于不同实验条件下的系数。在不同的实验条件下，由于系数不同，得到的Kv0、Kk0求解值也存在差异。

3.2 高架车站的地震响应模型构建与数值分析

高架车站的施工建设往往于二层或三层进行，与以往平层车站建设存在区别的是，以“桥-建”组合结构体系进行施工，需要考虑多次超静定结构体系构建的要求，考虑混凝土的收缩、徐变、升降温等对车站结构造成的影响。通常需要注重保障车站梁体外观的线条流畅性，在轨道梁的部分应用预应力混凝土箱梁，让梁体能够支承于桥墩盖梁上，在轨道梁部分应用双线单项单室的预应力混凝土简支架。高架车站的地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。以MIDAS 有限元软件来构建针对高架车站的空间计算模型，模拟车站可能受到的地震响应情况，对其进行分析，可以从高架车站的相对层间位移峰值以及加速度反应情况入手。

在车站结构相对层间位移部分，将相应的参数导入到数值模型当中，可以得到车站车柱的相对层间位移值变化情况见表1。

表1 高架车站柱的相对层间位移峰值（mm）

结合表1 中的相关数据，可以发现在水平地震的作用下，上盖结构的高架车站结构变形仍以剪切型为主，且同一列柱和同一行柱的层间位移相差较小，因而可以推断上盖结构只会对车站地基结构的变形量产生影响，不会对地基结构的变形规律产生影响。

对高架车站加速度反应的分析，得到的数值结果见表2。

表2 高架车站车柱峰值加速度（m·s-2）

结合表2 中的数据发现，即便在不同的工况中，车柱的峰值加速度相差不大，最大差值百分比在5.6%左右，因而可以证实上盖钢框架结构对车站结构加速度的影响，对车站结构抗震性能的影响较小。在实际的车站结构抗震设计中，可以忽略上盖结构对车站整体结构惯性力改变产生的影响。如果在监测中发现车站结构中柱的峰值加速度从下向上逐渐增加，则证明车站结构始终处于弹性的状态[4]。

3.3 地震响应对上盖结构抗震设计的启示

从高架车站上盖钢结构体系抗震设计的角度，在明确上盖结构地震响应规律的前提下，应采取合理的方法来改进和提升车站结构的抗震性能，从而提升高架车站的质量效果。结合前面的分析，发现在地震作用下，上盖结构高架车站的存在，会对土体的结构参数产生影响，而土体结构参数发生的变化能够呈现出一定的规律。对上盖结构高架车站的抗震设计，需要在明确受到地震作用影响的地震响应规律前提下，应用合理的方法来构建上盖结构高架车站的数值模型[5-6]。

基于此，可以在考虑推动上盖结构高架车站一体化建设目标的前提下，以传统的反应位移法为基础，以拟静力法为原理，将地震荷载转换为位移的形式将其施加于结构上。这种反应位移法强调对高架车站的车站结构进行破坏的最主要原因，是地层的变形作用。如果将地震产生的荷载施加到土层上的力转换为施加在结构上，则可以直接对车站结构在地震作用下产生的破坏特性进行分析。

在实际应用中，该方法需要通过建立简化力学模型的方式，从车站结构周围剪力和车站结构惯性力的角度，对静力荷载与车站结构变形之间的关系进行分析。考虑静力荷载主要包括地层相对位移、结构地层剪力以及结构加速度三项参数，且在车站结构刚度与周围土层刚度存在差异的情况下，地震荷载导致的土层位移变化与对车站结构产生的位移变化也不完全一致。基于此，可以利用以下公式，引入结构周围的土弹簧来对等效荷载进行计算：

式中，p(z) 代表直接施加在结构上的等效荷载；u(z)、u(zB)代表距地表面深度z 处和车站结构底板z处的土层位移大小，单位为mm；k 代表地基弹簧的刚度，k＝Kld。其中，K 代表基床系数，l 代表地基的集中弹簧间距，d 代表地层沿车站结构纵向的计算长度。

4 结论

综上所述，基于地震相应的相关原理，对高架车站上盖结构的施工建设进行计算分析，充分发挥模拟模型的作用，对提升高架车站的建设质量和性能效果具有积极的意义。考虑城市建设发展对推动高架车站与周围建筑一体化的建设要求，对高架车站上盖结构的设计，应在注重满足车站社会服务功能需求的同时，为车站的质量结果和性能提供更安全完善的保障。