地铁站抗震计算分析及抗震构造措施探究

覃罗毅

中铁第一勘察设计院集团有限公司,广西 南宁 530000

0 引言

地震是一种具有毁灭性破坏力的自然灾害,可对地下交通系统造成严重破坏,威胁乘客的生命安全,使得城市的日常运行瘫痪。因此,地铁站的抗震设计和构造措施,成为城市规划与建设中的重要议题。本文对地铁站抗震计算分析及抗震构造措施展开深入研究,以确保城市地下交通系统在地震事件中能够保持稳定和安全运行。

1 工程概况

某地铁站项目车站为地下2层岛式站台车站,其主体结构为双柱三跨现浇钢筋混凝土箱形框架结构。车站场地地形较为平坦,地貌单元属渭河一级阶地,其地震动参数如表1所示。

表1 某地铁站地震动参数的超越概率对比

超越概率是指某一特定地震强度参数(通常是地震峰值地面加速度,即地震峰值加速度)在一定时间内被超越的概率。这个概率表示了地震强度参数超过或等于某个特定值的可能性。通常以百分比或小数形式表示,在结构工程中,设计地震荷载通常基于一定的超越概率,以确保结构在其使用寿命内能够安全抵抗地震荷载。Amax代表最大加速度的响应谱值,通常以g(地球重力加速度)为单位,它表示地震时地表上的最大垂直加速度。βmax代表地震响应谱的振幅衰减指数,它决定了响应谱随周期增加的速度。Tg(s)代表地震响应谱的峰值周期。γ代表地震响应谱的线性谱衰减参数,它描述了地震响应谱的线性振幅随周期增加的速率。

2 抗震计算分析

2.1 抗震设计方法

在进行抗震分析时,研究人员采用了不同的方法来处理不同地震作用。对于E2地震作用,研究人员运用反应位移法来进行横向地震反应计算。在这一计算中,周围的土体被视为支撑结构的地基弹簧,这些地基弹簧的非结构连接端节点被施加以模拟地震作用[1]。这种方法可模拟土层对结构的影响,考虑了地震时土壤的动态响应。对于E3地震作用,研究人员则选择了反应加速度法。在这个方法中,结构周围的土体采用平面应变单元进行建模,而结构本身仍然以梁单元来表示。

2.2 地震作用基准面

在地下隧道和车站结构的地震设计中,选择合适的地震作用基准面至关重要。为了满足这一要求,在设计过程中,应选择剪切波速大于等于500 m/s的岩土层位置作为地震作用基准面。

对于土层较薄(厚度小于100 m)的场地,设计地震作用基准面与结构之间的距离应不小于结构有效高度的2倍。通过保持一定的距离,结构可以更好地承受地震荷载,减小结构的震动幅度[2]。

而对于土层较厚(厚度大于100 m)的场地,设计地震作用基准面可以选择场地覆盖土层深度为100 m的位置。通过选取位于100 m深度的土层位置作为基准面,可以更准确地分析地震作用,并保证结构在地震时的安全性。

2.3 抗震设计荷载组合与计算

2.3.1 抗震荷载组合

根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》,对于那些被归为重点设防类别的地下车站结构,它们在面临E2地震作用时,必须达到抗震性能的Ⅰ级标准。该标准不仅体现了法规对于安全的严格要求,也反映了地下车站结构在地震中的脆弱性。为了满足这一要求,研究人员在计算结构内力时,必须严谨考虑多种荷载组合的影响。

在本项目中,研究人员主要考虑了2种荷载组合。第一种是“永久荷载+偶然荷载”。这种组合考虑了长期作用下的恒定负载,如结构自身的重量、设备和设施的重量等,以及可能出现的突发荷载,如突发的地震、风力等自然力作用。第二种是“永久荷载+可变荷载”。这种组合也考虑了长期作用的恒定负载,但同时加入了可能会变化的负载,如乘客的重量、设备运行产生的动态负载等。

为了准确计算这2种荷载组合对结构内力的影响,相关工作人员采用了概率极限状态法。这种方法综合考虑了地震的不确定性和荷载的随机性,能够更准确地评估结构的抗震性能。通过这种方法,研究人员计算得出了2种荷载组合的分项系数(见表2)。

表2 组合验算工况的荷载分项系数 单位:kN/m2

2.3.2 主要荷载计算

2.3.2.1 永久荷载

本项目使用的钢筋砼构件,自重ρ为25 kN/m3。侧墙土压力通过计算静止土压力获得。其加权平均系数为:

(1)

式中:K0代表底板土压力,H代表埋深,n代表荷载实践,Ki代表单位面积土压力,h代表底板厚度。在计算底板土压力时,研究人员通过模拟地弹簧的反向作用力,确定钢筋砼结构的被动土压力系数。

2.3.2.2 可变荷载计算

1)人员荷载计算。设计乘客流量通常根据城市的需求和预期的乘客流量来确定,假设设计乘客流量为Q(人/h),人员密度可以用以下公式计算:

(2)

式中:D代表单位面积上的人员密度,Q为设计乘客流量,A是车站的平均截面面积。根据人员密度和车站的截面面积,可以计算出车站内的总人员数量N。

N=D×A

(3)

将总人员数量N转换为单位面积的人员荷载Wp(kN/m2)。

(4)

式中:g为重力加速度。本次研究中,g取值为9.81 m/s2。

2)运行车辆荷载计算。研究人员基于列车的类型、数量以及重量数据,计算运行车辆荷载。假设列车长度为L(m)、列车数量为Nc、列车重量为Wc(kN)。有效载荷长度可以通过列车的长度和停靠时间来计算,通常以s为单位。如列车停靠时间为T(s),则:

(5)

将列车的重量Wc与有效载荷长度Le进行组合,分母3 600是将小时转换为秒的因子。在车辆荷载计算中,如果速度单位是km/h,而想要得到单位是m/s的速度,就需要将速度乘以3 600,通过上面的公式,可以计算出每米车辆长度的荷载Wv(kN/m)为:

(6)

2.3.2.3 偶然荷载计算

该项目人防荷载按照抗力等级Ⅵ级进行计算,在计算地震荷载时,依靠下列公式计算底层相对位移参数为:

(7)

式中:U(Z)代表地震深度为Z时的土层水平位移(m),Umax代表地表最大位移数,H代表地震波距离地面基准面的距离,z代表地震深度。

2.3.2.4 土层剪切力

该项目中,工作人员运用反应谱法,确定土层位移实际数据,对该数据进行微分计算,最终确定土层应变系数以及土层剪切力,其公式为:

τ=Gd×π/(H×4)×Umax×sin(π×Z/(2×H))

(8)

式中:Gd代表动剪切变形系数,τ代表土层剪切力,将已有数据代入该公式,最终得到结构顶板剪切力为13 kN/m,底板剪切力为80 kN/m,侧墙剪切力为46 kN/m。

3 抗震构造措施

3.1 框架梁构造

框架柱的主筋通常为纵向钢筋,主筋的数量、直径和布置需要根据设计要求和地震等级来确定[3]。框架柱通常需要设置箍筋,以增强其侧向抗剪能力,箍筋的数量、直径和间距需要按照设计规范来确定。

在横梁设计方面,横梁的主筋通常是纵向的钢筋,主筋的数量与直径需要根据设计要求和横梁的跨度来确定,通常位于横梁的底部。为了增强横梁的抗剪强度,通常需要在框架栓设置箍筋,以防止在地震作用下产生剪切破坏。

框架柱和横梁之间的连接,通常采用焊接或螺栓连接,以确保构件之间的刚度和强度。连接的设计需要考虑地震作用下的力学行为。本项目中,为提高地铁站钢筋砼结构的抗震性,相关工作人员对现有的地铁站结构进行抗震加固,在框架柱和横梁上添加附加的钢筋、混凝土包裹或其他加固材料,以提高结构的抗震性能(见表3)。

表3 梁端箍筋加密区的长度、箍筋的最大间距与最小直径

3.2 框架柱构造

对于钢筋混凝土柱,当考虑Ⅱ级抗震时,其截面宽度和长度应不小于450 mm。此外,剪跨比应当大于2,这意味着截面长边与短边的比值应当不大于3。这些规定确保了柱子的稳固性和抗震性能。同时,柱轴压比不大于0.75,这是为了限制柱子的纵向压力,以防止柱子过度变形或损坏。

中柱的纵向受力钢筋配筋率应当按照不大于3%的标准进行控制。这意味着在柱子的同一截面内,钢筋接头的数量不应超过全截面钢筋总数的50%。这样可以保证钢筋的连续性和结构的整体稳定性。

在搭接接头范围内,箍筋的间距应当小于等于5倍的钢筋直径,同时应小于100 mm。这样可以确保箍筋在柱子中的作用得到充分发挥,提高柱子的抗剪切能力和整体稳定性。这些规定都是为了确保钢筋混凝土柱在承受荷载和抵抗地震等外部作用时能够保持稳定和安全[4]。

砼原料需要在模板内浇筑,以形成框架柱的主体结构(见表4)。

表4 柱截面纵向钢筋的最小总配筋率

在浇筑混凝土之前,必须确保模板完整、垂直和牢固;在浇筑混凝土时,需要使用振捣器将混凝土均匀压实,以减少气孔和提高混凝土的强度。

3.3 框架节点区处理

3.3.1 梁上部纵向钢筋贯穿中间节点

在框架的中间层中间节点,一项重要的措施是确保梁的上部纵向钢筋穿越整个节点区域。这意味着在设计和施工中,必须确保梁的顶部纵向钢筋以适当的方式穿过节点区域。在中间层的中间节点,框架柱的纵向钢筋也需要穿越整个节点区域,并延伸到中间层的端节点。这样的设计可确保柱在节点区域的连接具有足够的强度,能够在地震中承受应力。为了确保节点区域的纵向钢筋连续性,柱的纵向钢筋接头应该被安排在节点区以外的位置。

3.3.2 框架中间层端节点和顶层节点

在框架中间层端节点和顶层节点区域,梁的纵向钢筋需要适当的锚固长度和搭接长度,以确保连接的强度。这些尺寸通常由地震设计规范确定,以满足地震荷载下的要求[5]。同样,柱的纵向钢筋也需要适当的锚固和搭接,以确保节点区域的稳定性和抗剪性能。这些细节须按照设计规范进行精确计算和执行。

4 结束语

抗震设计不仅仅是为了确保地铁站结构在地震中的稳定,更是为了保障乘客的生命安全。在抗震构造方面,相关从业者要了解加强节点连接、使用高强度材料、增加钢筋数量和密度、以及节点区预制等措施的重要性。这些措施不仅可以提高结构的整体抗震性能,还能增强节点区域的稳定性和耐久性。未来,需要不断加强对新材料、新技术和新方法的研究,以适应地震活动不断变化的环境,同时也应该不断加强抗震设计的标准化和规范化,以确保抗震设计的科学性和有效性。