高烈度区地铁高架车站隔震分析

辛亚辉

（中铁四院集团西南勘察设计有限公司，云南昆明 650200）

0 引言

城市轨道交通高架车站分为 2 种结构形式，第一种为“桥建分离”式，指行车部分的轨道梁从车站框架中穿过，轨道梁采用与高架区间完全一致的“铰接横梁+横向墩柱 + 盖梁”的桥梁结构形式，且与车站建筑结构之间设防震缝分开，各自形成独立的结构受力体系；第二种为“桥建合一”式，指车站框架横梁代替行车部分的轨道梁，直接承受列车荷载及车站其他荷载，为梁板柱框架结构体系，且梁梁、梁柱间均是刚性连接，抗水平力体系是框架结构，车站建筑框架结构与桥梁结构结合在一起共同受力[1]。

城市轨道交通高架车站一般为地上二层或者三层结构，纵向跨度大，在高烈度区特别是 8 度和 9 度区，地震荷载大，普通的高架车站抗震结构梁柱截面较大且不经济，而采用隔震结构后，梁柱截面可优化减小，有效使用空间增大。“桥建分离”的高架车站（指建筑结构部分）采用隔震结构，与普通民建框架采用隔震结构基本一致，车站建筑结构与桥梁箱梁、桥墩的隔震缝缝宽不宜小于各隔震支座在罕遇地震下最大水平位移的1.2 倍，且不小于 200 mm[2]，比普通抗震缝（100 mm）宽。“桥建合一”的高架车站，应同时兼顾我国桥梁规范与建筑结构规范，由于桥梁与建筑结构的抗震标准体系不同，采用的结构设计理念、原则与方法不同，使得“桥建合一”结构体系的抗震设计变得比较复杂和难以把握。本文重点针对“桥建合一”的结构体系进行隔震计算分析和经济指标对比分析。

1 工程概况

某地铁高架车站为地上三层岛式站台，局部地下一层为电缆夹层，主体结构设计使用年限为 100 年，安全等级为一级，重要性系数为 1.1。车站总长约 120 m，共 8 跨，纵向跨度约 15 m，横向 4 柱 3 跨，跨度为 6.4 m+ 7.2 m + 6.4 m，总宽约 20 m。高架车站采用“桥建合一”梁板柱框架结构形式，框架柱采用延性较好的十字型钢混凝土柱，基础采用钻孔灌注桩，建筑结构高度 21.25 m，高宽比 1.06，属于重点设防类，乙类建筑，框架抗震等级为一级。根据昆明市轨道交通 6 号线一期工程场地设计地震动参数确定报告可知，抗震设防烈度为 8 度，设计基本地震动峰值加速度值为 0.33 g，地震影响系数最大值 αmax= 0.25[3]，设计地震分组第三组，场地土类别为Ⅱ类，场地特征周期 0.45 s。高架车站工程地质自上而下分为第四系人工填土层（Q4ml）、第四系冲洪积层（Q4el+dl）覆盖，下伏基岩为二叠系下统（P1y）灰岩，地层由上到下分别为素填土、粉质黏土、淤泥质黏土、中风化灰岩。

2 高架车站隔震支座及力学参数

地铁高架车站基础隔震一共使用了 36 个橡胶隔震支座，其基础隔震支座平面布置见图 1。高架车站隔震支座有铅芯橡胶（LRB）和天然橡胶（LNR）2种隔震支座，其力学性能参数见表 1 和表 2。

表1 铅芯橡胶隔震支座（LRB）力学性能参数

表2 天然橡胶隔震支座（LNR）力学性能参数

3 高架车站隔震结构模型及地震参数选取

3.1 隔震分析模型

本高架车站采用 ETABS 软件建立隔震与非隔震结构模型，ETABS 模型如图 2 所示，模型中连接单元能很好地模拟橡胶隔震支座。

图1 高架车站基础隔震支座编号及平面布置图

图2 高架车站三维ETABS模型

3.2 地震加速度及反应谱选取

根据 GB 50010-2010《建筑抗震设计规范》，选取了 2 条人工模拟加速度时程曲线 REN1、REN2 和 5 条实际强震记录的加速度时程曲线 TR3、TRZ59、TR7、ABSH、LAN，7 条加速度时程曲线和反应谱及规范设计反应谱曲线分别如图 3 和图 4 所示。从图 4 可知，选取的 7 条时程平均反应谱与规范设计反应谱较接近。

图3 7 条加速度时程曲线

图4 7 条时程反应谱与规范设计反应谱曲线

4 隔震结构计算分析

4.1 隔震结构偏心率

表3 给出了隔震结构的偏心率计算结果，X方向0.04%，Y方向 0.61%，偏心率满足日本和中国台湾规范规定隔震结构的偏心率不得大于 3% 的要求。

表3 隔震结构的偏心率

4.2 隔震支座压应力

表4 给出了 3 种隔震支座在 1.0G＋0.5L 组合下的最大压应力（G 为恒荷载，L 为活荷载），3 种隔震支座最大压应力为 9.616 MPa，满足 GB 50010-2010《建筑抗震设计规范》隔震支座最大压应力小于 12 MPa 的要求。

表4 3 种隔震支座最大压应力

4.3 中震（设防地震）下隔震结构分析

4.3.1 振动周期

表5 给出了中震（设防地震）下高架车站隔震结构与非隔震结构的振动周期对比。由表 5 可知，采用隔震结构后，高架车站的周期明显延长。

表5 隔震前后高架车站结构振动周期

4.3.2 隔震结构剪力比

表6 给出了高架车站隔震层以上结构隔震前后层间剪力比。由表 6 可知，结构层间剪力比的平均值最大值为0.17，即水平向减震系数β= 0.17。根据 GB 50010-2010《建筑抗震设计规范》第 12.2.5 条[5]，已知非隔震的水平地震影响系数最大值αmax= 0.25，橡胶支座调整系数ψ取0.8，可确定隔震后水平地震影响系数最大值αmax1。

αmax1=βαmax/ψ=0.17×0.25/0.8 = 0.053。

表6 X、Y 向隔震与非隔震层间剪力比

4.4 罕遇地震下隔震结构分析

4.4.1 隔震支座最大剪力、轴力

表7 给出了罕遇地震下 3 种隔震支座最大剪力、轴力计算结果，计算采用荷载组合 1.2（1.0G＋0.5L）＋1.3Fek＋0.5 Fzk（Fek 为水平地震荷载，Fzk 为竖向地震荷载）。表 7 罕遇地震下 3 种隔震支座最大剪力和轴力可用于隔震支墩设计计算。

表7 罕遇地震时3种隔震支座最大剪力、轴力 kN

4.4.2 隔震支座水平位移

表8 给出了罕遇地震下3 种隔震支座水平位移计算结果，计算采用荷载组合 1.0G＋0.5L＋1.0Fek。由表 8 可知，罕遇地震下 3 种隔震支座最大水平位移为 414 mm，小于 0.55D= 0.55×800 = 440 mm 及 3Tr = 3×149 = 447 mm 中的较小值（D为最小橡胶支座直径，Tr 为最小橡胶层总厚度），满足GB 50010-2010《建筑抗震设计规范》要求。

表8 罕遇地震下3 种隔震支座最大位移 mm

4.4.3 隔震支座应力

表9 给出了罕遇地震下隔震支座应力。由表 9 可知，在罕遇地震作用下，当荷载组合为 0.85G - 0.075L +1.0Fek 时，最大拉应力为 0.079 MPa，出现在 1 号支座 LRB800 处；当荷载组合为 0.85G- 0.075L- 1.0Fek时，最大拉应力为 0.083 MPa，出现在 28 号支座LRB800处。可见，罕遇地震下隔震支座拉应力均小于1 MPa，满足 GB 50010-2010《建筑抗震设计规范》要求。

表9 罕遇地震下隔震支座应力 / MPa

5 高架车站隔震结构经济分析

地铁高架车站普通抗震（非隔震）结构框架柱采用延性较好的十字型钢混凝土柱，端头柱截面为1 600 mm×1 600 mm，中柱截面为 1 400 mm×1 400 mm，框架梁采用钢筋混凝土梁，框架梁主要尺寸为 800 mm×1 400 mm。高架车站采用隔震结构后，框架端头柱截面优化为 1 200 mm×1 200 mm，中柱截面优化为1 000 mm×1 000 mm，框架梁截面优化为600 mm×1 000 mm。框架梁柱截面减小，但隔震层增加上下支墩混凝土量和橡胶隔震支座费用。高架车站非隔震与隔震结构经济指标和橡胶隔震支座费用见表 10、表 11。

表10 高架车站非隔震和隔震结构经济指标

表11 高架车站隔震结构橡胶支座费用

从表 10、表 11 数据对比可知，高架车站隔震结构（包含基础数量）比非隔震结构节省约 8.66% 的混凝土和 15.9% 的钢筋用量。高架车站隔震结构（包含基础数量）比非隔震结构节省混凝土量 662.29 m3和钢筋用量288.63 t，节省造价约 235 万元，但隔震结构的隔震支座和专项审查费用约 127.4 万元。总之，高架车站隔震结构（包含基础数量）比非隔震结构造价降低 107.6 万元，具有更好的经济性。

6 结论

（1）“桥建分离”式隔震高架车站与普通民建框架隔震结构基本一致，车站建筑结构与桥梁箱梁、桥墩的隔震缝缝宽不宜小于各隔震支座在罕遇地震下最大水平位移的 1.2 倍，且不小于 200 mm，比普通抗震缝（100 mm）宽。

（2）地铁高架车站（8 度 0.33 g）采用 ETABS 软件建立隔震与非隔震结构模型进行计算分析。计算结果表明，采用橡胶隔震支座后，上部结构梁、柱截面和配筋量大大减小，结构的振动周期明显延长，水平向减震系数为 0.17，隔震后水平地震影响系数最大值为 0.053，隔震层最大水平位移为 414 mm，隔震结构的偏心率、隔震支座压应力、拉应力及其水平位移均满足规范要求。

（3）地铁高架车站隔震结构（包含基础）比非隔震结构节省约 8.66% 的混凝土和 15.9% 的钢筋用量。高架车站隔震结构（包含基础）比非隔震结构节省混凝土662.29 m3和钢筋用量 288.63 t，节省造价约 235 万元，隔震结构的隔震支座和专项审查费用约 127.4 万元，最终高架车站隔震结构（包含基础）比非隔震结构造价降低 107.6 万元，具有更好的经济性，并且安全度大大提高。