地鐵高架車(chē)站的抗震性能分析

地鐵高架車(chē)站的抗震性能分析

1大跨懸索式大跨橋橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)南京寧天際公共交通一期工程位于南起浦口區(qū)大橋北路站和六合區(qū)金牛湖站，全長(zhǎng)約44.5公里。整個(gè)線路由4個(gè)b型車(chē)組成，線路有效，全長(zhǎng)80米。有17個(gè)車(chē)站，其中11個(gè)高架站和6個(gè)地下站。高架站臺(tái)中有5座高架站位于路中6m寬的綠化帶內(nèi),本單位設(shè)計(jì)了其中形式相同的3座側(cè)式站(盤(pán)城站、大廠西站和大廠站)和兩座島式站(沿江鎮(zhèn)站和大廠東站)。大廠西站橫向單柱跨度受路中6m寬綠化帶寬度的限制,最大只能做到3.9m,車(chē)站縱向中間柱子截面尺寸為1.1m×1.1m,邊柱截面尺寸為1.4m×1.4m,縱向跨度12m,共7跨,車(chē)站總長(zhǎng)84m,總計(jì)16根柱子。大廠西站分站廳層、站臺(tái)板下層和站臺(tái)層3層樓板,沒(méi)有軌道梁,是橋建合一的框架結(jié)構(gòu)形式?？紤]到對(duì)站址周?chē)坝^的影響,沒(méi)有采用路側(cè)綠帶和路中綠帶分別布置墩柱形成三柱兩跨的結(jié)構(gòu)形式。大廠西站典型橫剖面如圖1所示。國(guó)家住建部在2008年10月8日頒布了1號(hào)令《市政公用設(shè)施抗災(zāi)設(shè)防管理規(guī)定》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)定),其中第二條和第十四條明確城市軌道交通工程應(yīng)在初步設(shè)計(jì)階段組織專(zhuān)家進(jìn)行抗震專(zhuān)項(xiàng)論證。住建部又于2011年3月4日下發(fā)了《市政公用設(shè)施抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)論證技術(shù)要點(diǎn)(城鎮(zhèn)橋梁工程篇)》的通知》,對(duì)需要做抗震專(zhuān)項(xiàng)論證的橋梁做了詳細(xì)的規(guī)定。大廠西站為橋建完全合一的框架結(jié)構(gòu),從功能而言是房屋建筑［2］,從受力特點(diǎn)來(lái)看又不同于房屋建筑而接近于橋梁。因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)橫向?yàn)殡p柱單跨,不滿足現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)［3］(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《抗規(guī)》)6.1.5條的規(guī)定:“甲、乙類(lèi)建筑以及高度大于24m的丙類(lèi)建筑,不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)”,因此該種結(jié)構(gòu)形式符合《規(guī)定》中第十四條的要求“超出現(xiàn)行工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)使用范圍的市政公用設(shè)施”應(yīng)進(jìn)行抗震專(zhuān)項(xiàng)論證。2分析了兩種結(jié)構(gòu)形式的抗疲勞性能2.1根據(jù)“施工規(guī)則”分析2.1.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析運(yùn)用PKPM-SATWE軟件建立空間三維整體模型如圖2所示。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》GB50223-2008［4］(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《建規(guī)》)和《抗規(guī)》的規(guī)定,按房屋結(jié)構(gòu),抗震計(jì)算參數(shù)如表1所示。結(jié)構(gòu)振型周期如表2所示。從表2可見(jiàn),前兩階振型為平動(dòng),第三階為扭轉(zhuǎn),振型合理;第一周期大于場(chǎng)地特征周期0.35s,結(jié)構(gòu)不會(huì)在地震作用下發(fā)生顯著的共振效應(yīng);第三周期比第一周期為0.88,參考《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010［5］(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《高規(guī)》)中3.4.5條的規(guī)定,該結(jié)構(gòu)周期比滿足要求。該結(jié)構(gòu)最大層間位移角出現(xiàn)在Y-5%偶然偏心地震作用工況下,最大彈性層間位移角為1/1588,小于《抗規(guī)》中5.5.1條規(guī)定的1/550,滿足要求;最大位移比為1.34,參考《高規(guī)》中3.4.5條的規(guī)定,該結(jié)構(gòu)位移比滿足要求。該結(jié)構(gòu)最小剪重比為4.84%,滿足《抗規(guī)》中5.2.5條最小剪重比1.60%的要求。但從計(jì)算結(jié)果參數(shù)看,結(jié)果指標(biāo)大于規(guī)范要求較多,主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)剛度較大導(dǎo)致。2.1.2地震加速度時(shí)程根據(jù)《抗規(guī)》中5.1.2條第3款的規(guī)定“特別不規(guī)則的建筑,應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算”。本站按該條的要求進(jìn)行了彈性動(dòng)力時(shí)程分析。根據(jù)江蘇省地震工程研究院提供的50年超越概率63%(多遇)水平下工程場(chǎng)地地表地震加速度時(shí)程曲線,地震波時(shí)程曲線如圖3、圖4及圖5所示。PKPM-SATWE軟件中自帶了4條天然地震波,如果總計(jì)選取7條地震波,則4條天然地震波不能滿足規(guī)范要求的天然地震波不應(yīng)少于總數(shù)2/3的規(guī)定(需要5條),因此本站進(jìn)行多遇地震時(shí)程分析時(shí)采用三組地震波(兩組程序自帶的天然波,一組人工波)。人工波取江蘇省地震工程研究院提供的三組中使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大內(nèi)力的一組。彈性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果如表3所示。由表3可見(jiàn),三組地震波產(chǎn)生的底層剪力包絡(luò)值小于按振型分解反應(yīng)譜法算得的底層總剪力,大于《抗規(guī)》中5.1.2條文說(shuō)明規(guī)定的65%,滿足要求。因此,對(duì)于本站按PKPM-SATWE軟件用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算出的內(nèi)力不需要調(diào)整。2.1.3吉爾伯格地震的影響分析2.1.3.多遇地震時(shí)程分析的地震波根據(jù)《抗規(guī)》中5.5.3條第2款的規(guī)定,對(duì)本站進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析,三向輸入地震波,三向加速度最大值比例按1∶0.85∶0.65,地震波選取與多遇地震時(shí)程分析時(shí)選取的對(duì)應(yīng)。地震波時(shí)程曲線如圖6、圖7及圖8所示。計(jì)算地震波(第1條波為T(mén)H3TG035波,第2條波為T(mén)H4TG035波,第3條波為人工波)主方向?yàn)閄向時(shí)結(jié)構(gòu)最大樓層位移、最大層間位移角和最大樓層剪力如圖9、圖10及圖11所示。匯總各條地震波,分別作用在X、Y方向時(shí)各計(jì)算結(jié)果如表4所示。通過(guò)以上圖表可知,本站在罕遇地震下,最大層間位移角發(fā)生在站廳層為1/320,小于《抗規(guī)》中5.5.5條規(guī)定的1/50,滿足規(guī)范要求。2.1.3.橫向高溫下的塑性鉸根據(jù)《抗規(guī)》中5.5.3條第2款的規(guī)定,對(duì)本站進(jìn)行罕遇地震下的靜力彈塑性分析(pushover分析),分別進(jìn)行X向和Y向計(jì)算。X向罕遇地震下,需求譜曲線如圖12所示。由圖12可見(jiàn),能力曲線與需求曲線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的層間位移角為1/363,該彈塑性位移角小于《抗規(guī)》中5.5.5條規(guī)定的1/50,滿足規(guī)范要求。X向罕遇地震下,梁柱塑性鉸位置如圖13所示。由圖13可知,在X向罕遇地震下,塑性鉸出鉸順序?yàn)橄仍诳v向梁梁端,后在柱底。由此可以判斷,X向薄弱層在站廳層,首層柱的柱頂和柱底應(yīng)加強(qiáng)抗震措施。該種縱向多跨結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)符合房屋結(jié)構(gòu)。Y向罕遇地震下,需求譜曲線如圖14所示。由圖14可見(jiàn),能力曲線與需求曲線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的層間位移角為1/368,該彈塑性位移角小于《抗規(guī)》中5.5.5條規(guī)定的1/50,滿足規(guī)范要求。Y向罕遇地震下,梁柱塑性鉸位置如圖15所示。由圖15可知,在Y向罕遇地震下,塑性鉸出現(xiàn)在柱頂和柱底,橫向蓋梁沒(méi)有出現(xiàn)塑性鉸,這主要是由于柱的線剛度和屈服彎矩小于蓋梁的值。這種破壞機(jī)理和CJJ166-2011《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《城橋抗規(guī)》)第3.4.2條的規(guī)定相吻合,由此可以判斷該種結(jié)構(gòu)橫向受力特點(diǎn)是符合橋梁結(jié)構(gòu)的。通過(guò)對(duì)該種類(lèi)型車(chē)站結(jié)構(gòu)按房屋結(jié)構(gòu)遭遇的多遇地震、罕遇地震計(jì)算分析,可以看出結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下能保持彈性狀態(tài),沒(méi)有出現(xiàn)異常的振動(dòng)狀態(tài);結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下塑性鉸出鉸順序兩個(gè)方向分別具有房屋結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),彈塑性位移角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定值,最大位移值也較小,說(shuō)明罕遇地震作用下,該種結(jié)構(gòu)不會(huì)倒塌。2.2根據(jù)“橋法”分析2.2.1工程地質(zhì)模型建立空間桿系模型,采用Midas/Civil2010軟件進(jìn)行抗震相關(guān)計(jì)算分析。主體結(jié)構(gòu)均采用空間梁?jiǎn)卧M,利用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬地基土對(duì)結(jié)構(gòu)的作用,其順橋向、橫橋向的約束剛度根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告提供的地質(zhì)資料采用m法計(jì)算。具體計(jì)算模型如圖16所示。由于計(jì)算模型中增加了承臺(tái)和樁,結(jié)構(gòu)的自振周期變長(zhǎng),第二、三周期很接近,第二振型為扭轉(zhuǎn),具體數(shù)值如表5所示。按GB50157-2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《地鐵規(guī)范》)和GB50111-2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2009年版)［7］(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《鐵抗規(guī)》)的相關(guān)規(guī)定計(jì)算,在X向、Y向地震作用下,墩柱的混凝土壓應(yīng)力、墩柱中縱筋壓應(yīng)力和墩柱穩(wěn)定性應(yīng)力均滿足TB10002.3-2005《鐵路橋涵混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［8］的相關(guān)規(guī)定。2.2.2計(jì)算稀疏地震的作用在罕遇地震下,也選擇圖6、圖7及圖8所示的3組時(shí)程波進(jìn)行計(jì)算,取三組計(jì)算結(jié)果的最大值。2.2.2.中間跨墩柱屈服特征X向(順橋向)地震作用下,墩柱彎矩值云圖如圖17所示。Y向(橫橋向)地震作用下,墩柱彎矩值云圖如18所示。通過(guò)墩柱最不利軸力計(jì)算出墩柱底、頂?shù)那澗?和地震波作用下墩柱底、頂彎矩相比較,如果屈服彎矩大于計(jì)算值則判斷墩柱沒(méi)有屈服即不出現(xiàn)塑性鉸,反之則屈服出現(xiàn)塑性鉸。將3條地震波作用下墩柱底、頂彎矩計(jì)算值和墩柱底、頂彎矩屈服值匯總?cè)绫?及表7所示。由表6可見(jiàn),所有墩柱底、頂在罕遇地震下彎矩均小于屈服彎矩,因此墩頂、墩底沒(méi)有屈服,沒(méi)有塑性鉸出現(xiàn),則可以推斷本結(jié)構(gòu)縱向框架梁端可以通過(guò)調(diào)整配筋使其在罕遇地震下先出鉸。這一點(diǎn)和PKPM分析的結(jié)果是一致的。由表7可見(jiàn),中間跨墩柱(1.1m×1.1m墩柱)底、2~4軸墩柱頂在罕遇地震下彎矩均大于屈服彎矩,因此該部位屈服,塑性鉸出現(xiàn)在柱底和柱頂。這一點(diǎn)和PKPM分析的結(jié)果也是一致的。2.2.2.墩柱非延性比取3條地震波計(jì)算結(jié)果的最大值,位移云圖如圖19及圖20所示。由圖18、圖19可見(jiàn),車(chē)站墩柱(全高范圍)的非線性響應(yīng)最大位移順橋向37.640mm,橫橋向50.110mm。通過(guò)最不利軸力計(jì)算出的墩柱底的屈服曲率以及屈服位移、延性比匯總?cè)绫?所示(只列出位移較大的Y向(橫橋向))。從表8可見(jiàn),各墩柱計(jì)算出的非線性位移延性比μu均小于允許位移延性比[μu],允許位移延性比[μu]按《鐵抗規(guī)》中7.3.3條取值為4.8。由此可以證明該結(jié)構(gòu)在罕遇地震下,墩頂位移小于規(guī)范規(guī)定的限值,滿足規(guī)范要求。2.2.2.墩頂容許位移參照《城橋抗規(guī)》中7.3.7條的規(guī)定,本結(jié)構(gòu)采用非線性靜力分析方法(pushover)分析,得出墩頂容許位移圖如圖21及圖22所示。從圖21、圖22可見(jiàn),X向、Y向罕遇地震作用下,曲線最高點(diǎn)橫坐標(biāo)均為120mm(巧合沒(méi)有必然聯(lián)系),即罕遇地震下容許位移值均為120mm。結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下最大響應(yīng)位移值均小于容許值,滿足要求。2.2.2.配筋及內(nèi)力按現(xiàn)行《地鐵規(guī)范》的規(guī)定,站臺(tái)板下層縱橫框架梁、墩柱、承臺(tái)和樁基等與行車(chē)相關(guān)的構(gòu)件,應(yīng)參考《城橋抗規(guī)》中6.6節(jié)的規(guī)定:按能力保護(hù)原則計(jì)算內(nèi)力及配筋。按能力保護(hù)原則計(jì)算出的配筋,可以滿足按房屋建筑采用性能化設(shè)計(jì)中達(dá)到性能2(中震彈性)的目標(biāo)計(jì)算出的配筋要求。通過(guò)對(duì)該種類(lèi)型高架車(chē)站按橋梁結(jié)構(gòu)遭遇的多遇地震、罕遇地震計(jì)算分析,可以看出結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下構(gòu)件應(yīng)力小于容許應(yīng)力能保持彈性狀態(tài);結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下最大響應(yīng)位移遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)能承受的最大變形位移,說(shuō)明罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)不會(huì)倒塌。3振動(dòng)特性分析通過(guò)對(duì)無(wú)軌道梁橋建合一高架三層地鐵車(chē)站的詳細(xì)抗震性能分析,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論,僅供業(yè)界同行參考。(