跨座式单轨独柱大悬挑钢-混组合框架高架车站抗震设计探讨

陈志强，靳 鹏，廖宇飚

(中铁工程设计咨询集团有限公司建筑工程设计研究院,北京 100055)

引言

随着我国经济的快速发展,城市化进程不断加速,高架敷设方式以其占地面积小、建造周期较短、建设费用较节省等优点,在城市轨道交通中广泛运用[1-3]。高架轨道中的高架车站是人流密集区域,是高架轨道中的重要组成部分[4-5]。其中,高架车站的“桥-建”合一独柱大悬挑钢-混组合框架结构体系因其空间利用率高、占用中间绿化带小、对道路交通影响小、施工方便在国内抗震低烈度地区的轨道交通项目中应用越来越广泛[6-7]。

独柱大悬挑组合结构车站悬挑长度大、上部荷载重且横轨向体系为静定的大悬臂独柱结构,整体结构冗余度较小[8-10]。目前,在国内抗震设防烈度6度和7度地区已有该体系车站的实际应用,但是在8度地区,独柱三层大悬挑钢-混组合框架结构车站应用较少。本文通过某跨座式单轨高架车站典型工程实例,分析高烈度地区组合结构抗震计算过程[11-13],并给出相应的结论。

1 工程概况

某跨座式单轨高架车站由于道路两侧用地条件和路中绿化带宽度均受限制,采用路中高架独柱三层钢-混组合框架结构,钻孔灌注桩基础。

车站为三层结构,纵向柱距采用13.5 m和16 m,车站长度为75 m,从地面算起,为架空层、站厅层、下夹层、站台层,下文在计算位移及剪力指标时分别简称“一层”“二层” “三层”及“四层”。对于钢-混组合结构,横向采用单柱对称悬挑结构。墩柱采用矩形钢管-混凝土组合柱,横向主梁采用局部内灌混凝土的箱形组合梁,纵向采用组合梁,楼板采用压型钢板-混凝土组合楼板,站台雨棚采用轻型钢结构。结构设计主要参数见表1,车站平面及横剖面分别见图1～图4,主要构件尺寸见表2。

图1 高架车站站厅层平面(单位:mm)Fig.1 Elevation station hall floor plane (unit: mm)

图2 高架车站下夹层平面(单位:mm)Fig.2 Elevation station mezzanine plane (unit: mm)

图3 高架车站站台层平面(单位:mm)Fig.3 Elevation station platform level plane (unit: mm)

图4 高架车站横剖面(单位:高程为m,其余mm)Fig.4 Cross section of elevated station (unit: elevation in m, others in mm)

表1 结构设计主要参数Tab.1 Main parameters for structural design

表2 主要构件尺寸Tab.2 Main scantling

2 抗震设防目标设定

根据GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》及相关规范,城市轨道交通结构的抗震性能要求分成下列3个等级[14]。

性能要求Ⅰ:地震后不破坏或轻微破坏,应能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。

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。

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。

由于独柱三层钢-混组合框架结构横轨向为独柱悬挑结构,竖向荷载由横向大悬挑传递给墩柱,最终传给基础。当关键构件(墩柱、大悬挑梁)进入弹塑性工作阶段之后很可能引起结构的整体倒塌,在设计时应当尽量避免此类构件进入弹塑性工作阶段。因此,根据城市轨道交通结构抗震设计规范,不同地震作用下抗震性能指标如表3所示。

表3 不同等级地震作用下结构构件性能设计指标Tab.3 Performance design indexes of structural members under seismic action of different grades

依据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)附录M “结构抗震性能设计”的要求进行本工程结构抗震性能设计[15],抗震性能目标在各地震水准条件下的抗震性能水准要求按照性能2,如表4所示。

表4 结构构件实现抗震性能要求的参考指标Tab.4 Reference indicators for achieving seismic performance requirements of structural components

综上所述,依据《城市轨道交通结构抗震设计规范》和《建筑抗震设计规范》的要求,结构各构件在不同等级地震作用下的性能设计目标如表5所示。

表5 不同等级地震作用下结构构件性能设计目标Tab.5 Performance design objectives of structural components under different levels of earthquake action

3 多遇地震分析

3.1 地震波选取

根据规范选取地震动记录,输入2组实际地震记录的天然波和1组场地合成的人工波(包含三向分量),采用主、次和竖向方向输入法(即X、Y、Z方向依次为主、次、竖向)作为本结构的动力弹塑性分析的输入,其中三向输入峰值比依次为1∶0.85∶0.65(主方向∶次方向∶竖向),主方向地震波时程曲线的最大峰值加速度PGA为98 cm/s2(设计工作年限为100年时,地震作用按照放大1.4倍考虑[16]),次方向地震波时程曲线的最大峰值加速度PGA为83.3 cm/s2,竖方向地震波时程曲线的最大峰值加速度PGA为63.7 cm/s2。规范反应谱地震计算采用PKPM软件,时程分析地震计算采用Midas软件。选取人工波如图5所示。

图5 人工波三方向加速度时程曲线(多遇地震)Fig.5 Three-direction acceleration time history curve of artificial waves (frequent earthquake)

依据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》规定,时程分析法时,多组时程曲线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不大于20%;每条时程曲线计算所得结构基底剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%,且平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%,本工程地震波与规范反应谱对比分别如表6、表7所示。

表6 多遇地震波平均谱与规范反应谱对比Tab.6 Comparison between frequent seismic wave average spectrum and code response spectrum

表7 多遇地震弹性时程与规范反应谱分析的基底剪力Tab.7 Base shear force analysis for elastic time history and response spectrum analysis of code response spectrum

从表6和表7可知,X主向最小值为规范反应谱法计算结果的106.1%,Y主向最小值为规范反应谱法计算结果的108.2%;3组波结构基底剪力平均值X主向为反应谱结果的107.3%,Y主向为规范反应谱结果的114.4%,结果满足平均剪力不小于振型分解反应谱法结果的80%,每条地震波底部剪力不小于规范反应谱法结果的65%的条件,并且每条地震波输入计算不大于135%,平均不大于120%;地震波的持续时间都大于结构基本周期的10倍,且所选的天然波和人工波平均反应谱与规范反应谱在主要周期点的地震影响系数相比不超过20%,因此所选用的地震波满足规范要求。

3.2 层间位移角

多遇地震各组地震激励下结构的层间位移角如表8所示。

表8 多遇地震弹性时程与规范反应谱分析的层间位移角Tab.8 Interlayer displacement angle for elastic time history and response spectrum analysis of code response spectrum

由表8可知,结构在规范反应谱分析中X向最大层间位移角为1/1 028(第三层),Y向最大层间位移角为1/568(第三层);在弹性时程分析中,3条波的包络值X向最大层间位移角为1/786(第三层),Y向最大层间位移角为1/455(第三层),这说明弹性时程分析法和规范反应谱法计算的地震作用下楼层最大层间位移角均小于性能设计目标的要求。

3.3 层间剪力

多遇地震各组地震激励下结构的层间剪力如表9所示。

表9 多遇地震弹性时程与规范反应谱分析的层间剪力Tab.9 Interlayer shear force in elastic time history and response spectrum analysis of code response spectrum

由表9可知,弹性时程分析中3条波的包络值,X和Y向的楼层剪力均大于振型分解反应谱计算的结果。X向一层、二层、三层楼层剪力分别为振型分解反应谱的1.08、1.14、1.21倍。Y向一层、二层、三层楼层剪力分别为振型分解反应谱的1.20、1.20、1.13倍。根据规范要求,计算结果取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值,故振型分解反应谱法计算时采用放大系数法,X向地震作用下一层、二层、三层放大系数分别取1.08、1.14、1.21,Y向地震作用下一层、二层、三层的楼层剪力放大系数分别取1.20、1.20、1.13。以YJK计算软件为例,在后处理地震信息中输入放大系数,对应每层的层号根据上表X、Y各方向放大系数输入放大信息。

4 设防地震分析

采用振型分解反应谱法进行结构的中震弹性设计。根据多遇地震分析,X向地震作用一层、二层、三层放大系数分别取1.08、1.14、1.21,Y向地震作用一层、二层、三层的楼层剪力放大系数分别取1.20、1.20、1.13,按振型分解反应谱法进行设计,得到结构层间位移角如表10所示。

表10 中震弹性分析的层间位移角Tab.10 Interlayer displacement angle in elastic analysis of moderate earthquakes

由表10可知,结构在中震作用下X向最大层间位移角为1/502(第三层),Y向最大层间位移角为1/343(第三层),均小于预设的抗震性能目标的要求,同时构件的承载力验算均满足规范要求。

5 罕遇地震分析

5.1 模型建立

根据城市轨道交通及桥梁抗震规范要求,对采用桩基的车站结构,计算模型需要考虑桩土共同作用,采用结构-承台-桩基整体计算建模[17-19]的方法。利用Midas Gen建立带有桩基的整体模型。承台及桩约束按弹性支承考虑,其水平抗力系数随深度线性增加(“m”法[20]),与水平抗力系数的比例系数m值成正比,模型如图6所示。

图6 高架车站Midas三维模型(含桩基)Fig.6 3D model of elevated station Midas (including pile foundation)

5.2 地震波选取

选取地震波的原则可参考多遇地震分析,输入2组实际地震记录的天然波和1组场地合成的人工波(包含三向分量),采用主、次和竖向方向输入法(即X、Y、Z方向依次为主、次、竖向)作为本结构的动力弹塑性分析的输入,其中三向输入峰值比依次为1∶0.85∶0.65(主方向∶次方向∶竖向),主方向地震波时程曲线的最大峰值加速度PGA为400 cm/s2,次方向地震波时程曲线的最大峰值加速度PGA为340 cm/s2,竖方向地震波时程曲线的最大峰值加速度PGA为260 cm/s2。时程分析地震计算采用Midas软件。选取人工波如图7所示。

图7 人工波三方向加速度时程曲线(罕遇地震)Fig.7 Three-direction acceleration time history curve of artificial waves (rare earthquake)

罕遇地震时程分析时,地震波选取见3.1节。本工程罕遇地震波与规范反应谱参数对比分别如表11、表12所示。

表11 罕遇地震波平均谱与规范反应谱对比Tab.11 Comparison between rare seismic wave average spectrum and code response spectrum

表12 罕遇地震弹性时程与规范反应谱分析的基底剪力Tab.12 Base shear force analysis for elastic time history and response spectrum of code response spectrum

从表11和表12可知,X主向最小值为反应谱法计算结果的96.2%,Y主向最小为反应谱法计算结果的106.9%;3组波结构基底剪力平均值X主向为规范反应谱结果的105.1%,Y主向为反应谱结果的112.2%,结果满足3.1节选波的原则要求,因此所选用的地震波满足规范要求。

5.3 材料的本构关系

动力时程分析中地震波的选取原则参考多遇地震分析。动力时程分析由于输入为地震波整个过程,可以真实反映各个时刻地震作用引起的结构响应,包括变形、应力、损伤形态(开裂和破坏)等,也可以反映出铰顺序,故应构建更加精细的材料本构模型来满足分析需要。本车站结构采用的材料本构模型参数如图8、图9所示[21-22]。

图8 混凝土骨架曲线Fig.8 Concrete skeleton curve

图9 钢材的Park模型Fig.9 Park model of steel

构件采用截面纤维模型[23-25],可以反映截面材料屈服(开裂)以及强化(压碎)之后对截面刚度的影响,能很好地反映结构构件在大震作用下进入破损阶段之后的行为,满足结构在多向地震作用下构件截面多个内力相互作用的情况,能够直观地观测到截面上各种材料的工作状态,查看混凝土的开裂和压碎历史,钢材或钢筋的屈服和硬化过程。典型构件的纤维截面模型划分如图10所示。

图10 矩形钢管混凝土柱和工字梁的纤维截面模型Fig.10 Fiber section model of concrete-filled rectangular steel tubular column and I-beam

5.4 层间剪力

根据带有桩基Midas Gen模型在各地震波作用下的最大剪力,统计了各层最大剪力,并对比弹性时程分析的数据,见表13。由表13可知,弹塑性分析的楼层剪力与弹性的结果基本相近,带有桩基的模型其基底剪力比值为91.7%～113.7%,无桩基的模型其基底剪力比值为87.9%～100.7%,表明在大震作用下,车站结构在有桩基和无桩基的模型下主要抗侧力体系的塑性发展很小,具有良好的抗震性能,但是结构的基底剪力随着桩基建入反而增大,这是因为整个结构在横桥向的受力类似于悬臂结构,桩基的建入加大上部结构的鞭梢效应,地震力增大。

表13 大震弹性时程与弹塑性分析的楼层剪力Tab.13 Elastic time history of large earthquakes and floor shear force of elastic-plastic analysis

5.5 结构关键及普通竖向构件出铰结果与屈服(开裂)状态

本工程中底层墩柱、底层悬挑横梁、桩基、站厅层中边柱及盖梁为关键构件,其余构件为普通构件。结构构件某个截面从屈服开始到达最大承载能力或达到以后而承载力没有显著下降期间的变形能力,即为延性。在抗震设计中,延性是一个重要的指标,通常用延性系数D/D1来表示。在Midas分析中,D1代表构件边缘屈服时的弯矩变形值。

图11以人工波为例给出了关键构架及普通竖向构件的延性系数,其余地震工况与人工波类似。由图11可知,在3条地震波下,结构主要出铰的结构构件基本相同,在极限情况下,关键构件总是底层柱底端先进入屈服阶段,其次是柱顶端,然后是站厅层中间柱和边柱。关键构件及普通竖向构件的D/D1延性系数均小于1.0,结构关键及普通竖向构件都处于弹性工作状态,满足大震不屈服的性能目标,保证了结构的安全性能。

图11 人工波EX-RH工况下延性系数Fig.11 Ductility coefficient under artificial wave EX-RH working condition

5.6 底层组合柱、悬挑梁及桩基纤维截面结果

为更详细评估底层组合柱、悬挑梁及桩基关键构件在大震作用下的抗震性能应力应变情况,选取受力最大的部位,给出在人工波工况下,时间历程中纤维截面应力-应变曲线变化,分别如图12～图14所示。

图12 底层组合柱EX-RH工况材料纤维应力-应变曲线Fig.12 Material fiber stress-strain curve of bottom composite column under EX-RH working condition

在人工波EX-RH工况下,从图12、图13得到如下结果。(1)底层组合柱钢材纤维最大拉应力σ=136.1 MPa,最大压应力σ=146.5 MPa,均小于fy=345 MPa,钢材处于弹性阶段;底层柱混凝土已经开裂,混凝土受拉退出工作,最大压应力f=17.5 MPa,小于fck=26.9 MPa,柱内混凝土受压状态下处于弹性阶段。(2)底层悬挑梁钢材纤维最大拉应力σ=125.1 MPa,最大压应力σ=127.8 MPa,均小于fy=345 MPa,钢材处于弹性阶段;悬臂梁混凝土上部部分开裂,此部分混凝土受拉退出工作,下部混凝土纤维最大压应力f=15.3 MPa,小于fck=26.9 MPa,此部分混凝土受压状态下处于弹性阶段。在整个时间历程中,底层组合柱和悬挑梁在EX-RH工况下,混凝土截面开裂,钢材和混凝土受压未屈服,保持弹性工作状态,满足大震不屈服的性能目标。

图13 底层悬挑梁EX-RH材料纤维工况应力-应变曲线Fig.13 Material fiber stress-strain curve of bottom cantilever beam under EX-RH working condition

由图14可知,在人工波EX-RH工况下,受力最大的桩基钢筋纤维最大拉应力σ=159.9 MPa,最大压应力σ=164.3 MPa,均小于fy=400 MPa,钢材处于弹性阶段;桩基混凝土已经开裂,混凝土受拉退出工作,最大压应力f=19.7 MPa,小于fck=26.9 MPa,柱内混凝土受压状态下处于弹性阶段。在整个时间历程中,桩基在EX-RH工况下,混凝土截面开裂,钢筋和混凝土受压未屈服,保持弹性工作状态。

图14 桩基EX-RH材料纤维工况应力-应变曲线Fig.16 Material fiber stress-strain curve of pile foundation under EX-RH working condition

6 结论

跨座式单轨高架车站创新性对关键构件采用纤维模型进行罕遇地震分析,得出构件整个时间历程的应力、应变曲线,主要研究结论如下。

(1)底层组合柱、底层悬挑横梁的预期性能目标为压弯、抗剪不屈服,根据延性系数列表及纤维截面图示结果,钢材纤维受拉受压均未达到屈服强度,保持弹性工作状态;混凝土纤维受拉开裂,受压未达到屈服强度,保持弹性工作状态,总体为构件保持弹性工作状态。

(2)站厅层中边柱、盖梁的预期性能目标为压弯、抗剪不屈服,根据关键构件及普通竖向构件延性系数结果,中边柱和盖梁的D/D1均小于1.0,此部分构件还处于弹性工作状态。

(3)桩基的预期性能目标为压弯、抗剪不屈服,根据纤维截面模型的结果,钢筋纤维受拉受压均未达到屈服强度,保持弹性工作状态;混凝土纤维受拉开裂,受压未达到屈服强度,保持弹性工作状态,总体为构件保持弹性工作状态。

(4)地震作用下,带有桩模型与无桩模型的基底剪力有一定差距,表现为带有桩基模型的地震剪力较大,基于独柱长悬臂结构体系的重要性,从结构的安全可靠性出发,设计时应考虑桩土共同作用,土弹簧刚度按较小值进行计算,并进行抗震性能化设计。