杭州南站站房结构防连续倒塌分析

康亚强

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

1 工程概况

杭州南站位于浙江省杭州市萧山区城厢镇既有萧山火车站区域，是杭长、杭甬客运专线的中间站，也是杭州市重大基础项目之一。以杭长、杭甬客运专线引入杭州南站为契机，将地铁5号线和11号线也引入杭州南站，并配合进行周边道路改造，形成集国铁、地铁、公交、长途、出租等交通方式为一体的现代化中型客运交通枢纽。

杭州南站总建筑面积为46 973 m2，最高聚集人数为2 000人。车站共有三层：地上二层，地下一层。地上二层为高架层，主要为高架候车厅、高架进站匝道及落客平台；站台层中间为地面进站厅，东、西侧式站房一侧设售票厅，另一侧设贵宾厅；夹层设车站办公、电力、通信、信息设备用房，中间车场设7个站台。东、西侧式站房中部为进站安检区，与高架旅客步行平台相连，两侧为VIP候车室，上部夹层为设备管廊；地下一层主要为出站地道及地下通廊，通廊东西两侧为地下出站厅及市政广场地下空间(见图1～图2)[1]。

图1 支承高架层混凝土柱

图2 支承屋盖空间十字形钢柱

2 研究目的

自1968年Ronan Point公寓因煤气爆炸而导致结构连续倒塌事故之后，结构的防连续倒塌问题引起了很多专家及学者的关注[2-3]，特别是在1995年美国联邦政府办公楼倒塌[4]及2001年纽约世贸双塔倒塌事故[5-6]后，结构的防连续倒塌问题得到了工程界的普遍重视。结构连续倒塌是指由于结构局部构件的损坏，引起结构构件连续性的破坏，最后导致结构的大部分或整体发生坍塌[7]。

造成结构连续倒塌的原因很多，如施工工艺不当、设计不合理、撞击荷载、爆炸荷载、地震作用和结构材料性能不合格等。康翔杰等[8]对车站雨棚结构受高铁列车撞击进行仿真分析。Eibl J.等[9]针对混凝土梁与混凝土柱遭受意外撞击进行理论分析及试验研究。Rind H.L.等[10]采用有限元分析意外撞击下混凝土结构的破坏情况。

3 防连续倒塌分析方法

目前，国外主要的一些规范(英国的British Standard[11]、欧洲Euro Code 1[12]、美国GSA2003[13]及DoD2005[14])均有关于防连续倒塌设计的相关规定。

我国现行的《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[15]提出了防结构连续倒塌的设计原则。重要结构的防连续倒塌设计有三种方法：局部加强法、拉结构件法、拆除构件法。

(1)局部加强法

首先确定结构的竖向重要构件及关键的传力部位，通过提高这些构件的安全储备来降低结构遭受爆炸或撞击等偶然作用下发生连续倒塌的概率。

(2)拉结构件法

主要分析局部竖向杆件损坏时结构的连续性、延性和冗余度，按梁-拉结等模型验算其承载力，保证结构的整体性，降低结构发生连续倒塌的可能性。

(3)拆除构件法

亦称备用荷载路径设计法，是指将初始破坏的竖向构件拆除(此时结构发生内力重分布)，评估剩余结构的跨越能力，进而分析结构发生大范围连续倒塌的可能性。

本次杭州南站结构防连续倒塌分析采用拆除构件法，考虑材料及几何非线性，具体参数设置如下：

①按GSA2003指南[12]规定的线性动力分析法的加载工况，施加于结构的荷载组合为“恒载+0.25活载”。首先对原整体结构进行线性静力分析，求得拆除竖向构件的内力值；再拆除关键的竖向构件，在拆除构件的节点处施加节点反力并定义相关的时程函数(荷载时程函数需反复试算确定)；最后进行非线性动力时程分析。

②在钢筋混凝土框架梁的两端及中部分别设置弯矩塑性铰；在钢筋混凝土框架柱两端设置轴力与弯矩耦合的塑性铰；在十字形钢柱的两端设置纤维铰；在钢桁架的构件中部设置轴力铰。

③按瑞利阻尼进行设置，恒定阻尼比为0.05。

④根据杭州南站结构模型，考虑几何非线性及重力二阶效应，调试非线性参数，进行非线性动力分析。

4 结构连续倒塌的破坏准则

按GSA2003指南[13]进行非线性动力分析时，一般根据结构的延性和关键构件拆除后其余构件的变形值判断整体结构是否发生连续倒塌。因此，采用变形准则来判定钢筋混凝土框架构件是否最终失效。考虑到杭州南站站房属于安全度要求较高的建筑，构件失效准则定义如下：钢筋混凝土梁最终转角值超过6°时，认为该构件失去承载能力，将发生连续倒塌，即判断结构发生连续倒塌的临界转角值为6°。

5 关键构件失效后结构的动力响应

关键构件失效后，结构的非线性动力分析计算过程如下：

①进行完好整体结构线性静力分析，确定结构关键构件的内力。

②拆除相应关键构件，将相应反力施加在节点上。

③定义荷载时程函数，经过多次试算，保证荷载时程函数能够真实模拟结构连续倒塌的过程。整体结构荷载函数如图3(a)，节点反力时程函数如图3(b)。

④进行非线性动力分析及结果查看。

图3 非线性动力分析结构加载时程函数

6 关键构件选取及结果分析

所选取的构件为股道间支撑跨度较大的楼面或屋面的关键框架柱。这些框架柱可能因列车撞击而破坏，从而导致整体结构发生连续倒塌。防倒塌分析按拆除以下4组指定构件进行。

6.1 拆除型钢混凝土柱(所在单元：4992和4981)

图4为指定构件位置及反力加载示意。图5为拆除构件前后非线性动力分析时程示意。其中，0～5 s为静力加载阶段，5～6 s为静力平衡阶段，6 s时瞬间拆除指定构件，此后为结构振荡阶段。图6为典型时间点结构的塑性铰分布。拆除构件之前主体结构基本未进入塑性状态，拆除指定构件之后，由该构件支撑的梁产生塑性铰，但结构破坏并不严重，未完全失去承载能力(屋架也具有良好的承载能力)。由图5可知，拆除柱后，节点的残余竖向位移为40 mm，框架梁的塑性转角为0.25°，远小于判别准则中6°的临界角。因此，拆除结构关键构件后，不会发生连续倒塌。

图4 拆除单元位置及反力加载(一)

图5 拆除杆件节点位移时程(一)

图6 典型时间点结构塑性铰分布(一)

6.2 拆除型钢混凝土柱(所在单元：4984和4901)

图7 拆除单元位置及反力加载(二)

图8 拆除杆件节点位移时程(二)

图9 典型时间点结构塑性铰分布(二)

图7为指定构件位置及反力加载示意。图8为拆除构件前后的非线性动力分析时程示意。其中，0～5 s为静力加载阶段，5～6 s为静力平衡阶段，6 s时瞬间拆除指定构件，此后为结构振荡阶段。图9为典型时间点结构的塑性铰分布。拆除构件之前主体结构未进入塑性；拆除指定构件后，该柱支撑的梁产生塑性铰，同时屋架有部分杆件进入塑性，但数量不多。结构振荡过程中，由于结构内力重分布，在指定构件较远处，部分构件产生塑性铰，且屋架的塑性铰也逐渐增多。由图8可知，拆除柱后节点竖向位移为113 mm，该框架梁的塑性转角为0.72°，远小于倒塌临界塑性转角6°。因此，拆除结构关键构件后，不会发生连续倒塌。

6.3 拆除钢柱(所在单元：79618)

图10 拆除单元位置及反力加载(三)

图11 拆除杆件节点位移时程(三)

图12 典型时间点结构塑性铰分布(三)

图10为指定构件位置及反力加载示意。图11为拆除构件前后的非线性动力分析时程示意。其中，0～5 s为静力加载阶段，5～6 s为静力平衡阶段，6 s时瞬间拆柱，此后为结构振荡阶段。图12为典型时间点结构的塑性铰分布。由于屋架整体相对较柔，拆除构件后以及结构振荡终止前，屋架仅有较少的杆件进入塑性，且塑性发展程度较低，拆除指定构件后，屋架仍具有良好的承载能力。

6.4 拆除钢柱(指定构件所在单元：79616)

图13给出指定构件位置及反力加载示意。图14为拆除指定构件前后的非线性动力分析时程示意。其中，0～5 s为静力加载阶段，5～6 s为静力平衡阶段，6 s时瞬间拆柱，此后为结构振荡阶段。图15为典型时间点结构的塑性铰分布。由于屋架整体相对较柔，拆除构件后至结构振荡终止前，屋架仅有少量的杆件进入塑性，且塑性发展程度较低。拆除指定构件后，屋架仍具有良好的承载能力，与6.3节情况类似。

图13 拆除单元位置及反力加载(四)

图14 拆除杆件节点位移时程(四)

图15 典型时间点结构塑性铰分布(四)

7 结论

(1)股道间的型钢混凝土柱失效之后，部分框架梁及屋盖的部分杆件进入塑性状态，但塑性发展程度不高，且框架梁的塑性转角在GSA2003指南[13]限值之内，结构仍具有一定的承载能力。

(2)股道间的钢柱失效之后，屋盖的部分杆件进入塑性，但破坏轻微，对整体结构影响很小。

(3)杭州南站站房结构具有较好的冗余度及防止连续倒塌的能力。

[1] 鲍宁，史月珍，何占坤，等.新建铁路杭州至长沙客运专线杭州南站站房工程施工图文件[Z].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司，2014

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[5] Patrick X W Zoul，唐嘉敏，季静.关于纽约世界贸易中心双子塔倒塌的分析和教训[J].地震工程与工程振动，2006，26(3):31-33

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[12] EN 1991-l-7 Euro Code l-Actions on Structures，Part 1-7: General Actions-Accidental Actions[S]

[13] GSA2003 Progressive Collapse Analysis and design guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Project[S]

[14] DoD2005(UFC4-023-03) Design of Structures to Resist Progressive Collapse[S]

[15] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50010—2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010