基于有斜撐與無斜撐站橋合一高架車站地震響應(yīng)對比分析

基于有斜撐與無斜撐站橋合一高架車站地震響應(yīng)對比分析

根據(jù)地鐵高架站與區(qū)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，高站分為三種結(jié)構(gòu)形式：高站橋分離、站橋組合和站橋組合。站橋分離式車站的車站結(jié)構(gòu)與區(qū)間結(jié)構(gòu)完全分離,形成各自完全獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體系,其受力清晰,設(shè)計簡單,但其經(jīng)濟(jì)性、城市景觀性和抗側(cè)向地震能力最差,因而僅在早期的高架線路中運(yùn)用;站橋結(jié)合式車站結(jié)構(gòu)是將區(qū)間橋梁直接擱置于車站主體結(jié)構(gòu)上,在車站范圍內(nèi)不再單獨(dú)設(shè)置橋梁墩柱,該型車站結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和抗地震能力較好,但受橋梁高度影響使車站結(jié)構(gòu)體量大景觀性稍差;站橋合一車站結(jié)構(gòu)將車站本身結(jié)構(gòu)與區(qū)間結(jié)構(gòu)完全融合,行駛列車的軌道直接布置于車站樓面結(jié)構(gòu)上,其經(jīng)濟(jì)性、城市景觀性和抗側(cè)向地震能力最好,是高架車站的發(fā)展方向。地鐵車站屬于抗震設(shè)防類別為乙類的重要公共建筑,是地震等災(zāi)害發(fā)生時使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的建筑,其抗震性能應(yīng)引起行業(yè)的高度重視。受城市景觀及道路寬度限制,對站橋合一高架車站結(jié)構(gòu)布置時,多采用雙墩柱單跨形式,并利用站臺層橫向框架梁大懸挑形成軌行區(qū),在豎向質(zhì)量分布上形成了“頭重腳輕”,對抗震不利。本文根據(jù)橋梁“V”型墩柱理念并結(jié)合具體項目,對在墩柱外側(cè)設(shè)置斜撐的站橋合一式高架車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能研究分析,以期對今后類似車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計有借鑒作用。1車站結(jié)構(gòu)施工該車站位于北京地區(qū),為單跨雙墩柱式全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),路中布置,車站主體長138m,有效站臺中心樓面距地面高差為11m,主體建筑面積為8360m2。車站主體結(jié)構(gòu)由完全通透架空的路面層、站廳層和站臺層構(gòu)成,采用常規(guī)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)施工方式施工。考慮到軌行區(qū)懸挑較大,為減小梁端撓度和懸挑梁高度,避免預(yù)應(yīng)力施工,設(shè)計時引入“V”型橋墩設(shè)計理念,在懸挑梁根部下方設(shè)置弧形斜撐(圖1)。根據(jù)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》,該高架車站的設(shè)計地震分組為一組,場地類別為III類,抗震設(shè)防烈度為8度,水平地震動的最大加速度峰值為2m/s2,建筑抗震設(shè)防類別為乙類,抗震等級為框架二級。2高站建模和計算參數(shù)2.1高架車站框架結(jié)構(gòu)及模型利用有限元軟件建立站橋合一式高架車站簡化模型,其中墩柱、邊柱、斜撐選用三維梁單元BEAM188進(jìn)行模擬,該單元可以承受拉、壓、彎、扭的單軸受力以及扭切變形,較好地模擬墩柱的截面形狀,同時能很好地反映高架車站墩柱及斜撐的受力特性。站臺層和站廳層樓面板選用殼單元SHELL43模擬,該單元可以模擬站廳層與站臺層的厚度及彎曲變形。屋蓋簡化為集中質(zhì)量加在結(jié)構(gòu)上,用MASSZI單元模擬。圖2為有斜撐站橋合一式高架車站模型,圖3為無斜撐站橋合一式高架車站模型。站臺層與站廳層之間的墩柱為上層墩柱,行車道與站廳層之間的墩柱為下層墩柱。高架車站的附屬結(jié)構(gòu)(電梯、扶梯、風(fēng)雨棚、電力電纜、信號設(shè)備、欄板等)的質(zhì)量計算至縱梁的支座處,車站框架結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)均視為剛性節(jié)點(diǎn)。墩柱底部的邊界條件為固結(jié),在計算過程中不考慮結(jié)構(gòu)與土體相互作用的影響。2.2地震動的輸入本文采用時程分析法對有斜撐和無斜撐2種型式的站橋合一高架車站進(jìn)行抗震分析?？紤]到地震作用具有隨機(jī)性和難以預(yù)測性,地震動的輸入選擇沿縱向、橫向、豎向3個方向的人工地震波,記錄信號為加速度。人工地震波的計算參照現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范的反應(yīng)譜,得到規(guī)范化的地震波,并假設(shè)高架車站所有支承處的地震動相同。2.3密度和彈性模量高架車站上下層墩柱、站臺層、站廳層及斜撐均為C30混凝土,彈性模量為3×1010N/m2,密度為2500kg/m3,泊松比為0.2。上層墩柱與斜撐截面是邊長為0.8m的正方形,下層墩柱截面是直徑為1m的圓形。3計算結(jié)果和分析3.1抗震作用計算的項目根據(jù)現(xiàn)行GB50011-2010《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,對抗震設(shè)防烈度在6度及以上地區(qū)的各類建(構(gòu))筑物,都需進(jìn)行抗震作用計算,而對設(shè)防烈度在8、9度時的大跨度和長懸臂結(jié)構(gòu),及9度時的高層建筑,還應(yīng)進(jìn)行豎向地震作用計算;另外,對特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑和符合規(guī)范規(guī)定高度范圍的高層建筑,還應(yīng)采用時程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計算?？紤]到該車站屬于抗震設(shè)防類別為乙類的重要建筑,本文運(yùn)用ANSYS程序并選擇了時程分析方法進(jìn)行水平向和豎向地震作用計算。3.2有斜撐時的墩柱頂部縱向水平位移高架車站在橫向、縱向水平地震作用下,其橫向和縱向的水平位移響應(yīng)的大小反應(yīng)了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的強(qiáng)與弱。高架車站上、下層墩柱頂部位移響應(yīng)計算結(jié)果如圖4~7所示。(1)上層墩柱頂部有斜撐時的和無斜撐時的最大水平位移差出現(xiàn)在11號墩,無斜撐時的橫向水平位移為5.02mm,有斜撐時的橫向水平位移為3.27mm;無斜撐時的縱向水平位移為5.56mm,有斜撐時的縱向水平位移為4.25mm?？梢?對上層墩柱頂部,有斜撐時的墩柱頂部橫向水平位移比無斜撐時的墩柱頂部橫向水平位移響應(yīng)小約1.75mm,有斜撐時的墩柱頂部縱向水平位移比無斜撐時的墩柱頂部縱向水平位移響應(yīng)小約1.3mm。這說明,斜撐對上層墩柱頂部結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度是有正面貢獻(xiàn)作用的,對抗震有利。(2)下層墩柱頂部有斜撐時的和無斜撐時的最大水平位移差出現(xiàn)在11號墩,無斜撐時的橫向水平位移為3.29mm,有斜撐時的橫向水平位移為2.83mm;無斜撐時的縱向水平位移為3.67mm,有斜撐時的縱向水平位移為3.42mm?？梢?對下層墩柱頂部,有斜撐時的墩柱頂部橫向水平位移比無斜撐時的墩柱頂部橫向水平位移響應(yīng)小約0.46mm,有斜撐時的墩柱頂部縱向水平位移比無斜撐時的墩柱頂部縱向水平位移響應(yīng)小約0.25mm。這說明,斜撐對下層結(jié)構(gòu)抗側(cè)影響較小,其影響基本限制在上層結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)。3.3有斜撐和無斜撐時的墩柱頂部豎向位移有斜撐和無斜撐2種型式的高架車站上、下層墩柱頂部的位移響應(yīng)如圖8、9所示,由圖8、9的結(jié)果表明:上層墩柱頂部有斜撐時和無斜撐時的最大豎向位移差出現(xiàn)在10號墩,有斜撐時的墩柱頂部豎向位移為1.01mm,無斜撐時的墩柱頂部豎向位移為1.39mm,有斜撐與無斜撐時的墩柱頂部豎向位移和位移差都不大;下層墩柱頂部有斜撐時和無斜撐時的最大豎向位移差出現(xiàn)在2號墩,有斜撐時的墩柱頂部豎向位移為0.95mm,無斜撐時的墩柱頂部豎向位移為0.54mm,有斜撐與無斜撐時的墩柱頂部豎向位移和位移差亦都不大。由此可以推斷,斜撐對結(jié)構(gòu)上、下層結(jié)構(gòu)豎向抗震作用不明顯。4斜撐對高架車站豎向抗震作用(1)3個方向的地震動作用下,有斜撐的與無斜撐的2種站橋合一高架車站,上下層墩柱頂部的豎向位移基本一致,表