单跨高架车站基于抗震性能化的结构设计

张 何

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063)

1 工程概述

武汉轨道交通21号线西起江岸区后湖大道站，东至新洲区金台站，全长35km，全线采用A型车6节编组，全线共设车站15座，其中地下站5座，高架站10座。高架车站中有2座车站采用四柱落地的框架结构，其余8座标准车站受限于边界条件及场地等控制因素均采用“开”字形双柱双悬挑的结构形式并设置于11m宽的路中绿化带内，如图1所示。标准车站共分为3层，其中一层为架空层，二层为站厅层，三层为站台层，车站总长142.8m,车站总宽23.6m，纵向主要柱距12m，横向柱距7m，标准车站横断面如图2所示。墩柱上部为预应力钢筋混凝土“开”型盖梁，站厅层、承轨层及站台层通过支承在“开”型盖梁上立柱形成钢筋混凝土框架结构。由于行车部分的轨道梁与车站框架横梁刚接，车站部分建筑结构与车站桥梁结构结合在一起共同受力，因此车站是“桥-建合一”式车站。

图1 标准车站效果图

根据《建筑抗震设计规范》[1]第6.1.5条规定甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构。高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。该线标准车站虽不属于房屋结构且高度不超过24m，但标准站横向均为“开”字形单跨框架结构，其抗侧刚度小，耗能能力弱，结构冗余度小[2-4]，在遭遇强烈地震时，很容易由于单个竖向构件发生破坏继而引发结构连续倒塌，因此，标准站的抗震性能极其重要。基此，笔者将以标准车站中的武湖大道站为例，对其分别进行各地震动水准作用下的弹性及弹塑性分析。

图2 标准车站典型横断面

2 车站抗震性能目标及性能水准

由于车站采用“桥-建合一”的框架结构，从功能而言是房屋建筑，从受力特点来看又不同于房屋建筑而接近于桥梁，因此该工程高架车站多遇地震E1作用下，性能要求Ⅰ结构强度验算分别按《建筑抗震设计规范》和《铁路工程抗震设计规范》[5]的规定进行。设防地震E2、罕遇地震E3作用下，性能要求Ⅱ、Ⅲ的变形、位移验算按《城市轨道交通结构抗震设计规范》[6]第7章的规定进行。

结构构件性能等级分三级，如表1所示。

表1 结构构件性能等级划分表

结构整体和构件性能等级关系，如表2所示。

表2 结构整体性能等级划分表

结构抗震性能目标，如表3所示。

表3 结构抗震性能目标

3 车站抗震计算分析

根据《建筑工程抗震设防分类标准》[7]和《城市轨道交通结构抗震设计规范》的相关规定，并依据《武汉市轨道交通21号线工程场地地震安全性评价报告》[8]，确定该站的抗震计算参数如表4所示。

表4 车站抗震计算参数表

3.1 多遇地震作用下结构弹性反应谱分析

3.1.1按“建规”分析

运用PKPM软件建立车站空间整体模型如图3所示。

图3 车站PKPM三维整体模型

项 目计算结果规 范 限 值基本周期0.61s最大轴压比0.33抗震规范(6.3.6)条,三级框架柱轴压比限值:0.85最小剪重比2.24%抗震规范(5.2.5)条,楼层最小剪重比限值:0.8%最小侧向刚度比0.69抗震规范(3.4.4)条,薄弱层地震剪力增大系数= 1.25底层最大弹性层间位移角1/1417抗震规范(5.5.1)条,框架结构:1/550位移比(最大弹性水平位移与层平均位移、最大弹性层间位移与平均层间位移的比值)1.21抗震规范(3.4.2)条,大于1.2时结构为平面不规则刚重比X向97.6Y向131.91. 刚重比>10,能够通过高规(5.4.4)条的整体稳定验算2. 刚重比>20,可以不考虑重力二阶效应底层最大弹塑性层间位移角1/284对全楼采用强制刚性楼板假定抗震规范(5.5.5)条框架结构:1/50周期比0.811高规(3.4.5)条,结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1之比,A级高度建筑不应大于0.9墩顶最大横向位移9.722Δ≤4L墩顶最大纵向位移9.942Δ≤5L

根据表5可知：结构前两阶振型为平动，第三阶为扭转，振型合理，第一周期大于场地特征周期0.35s，结构不会在地震作用下发生显著的共振效应；结构周期比、位移比、轴压比、剪重比及层间位移角的量值均满足规范要求；所有结构构件均处于弹性阶段。

3.1.2按“桥规”分析

采用Midas/Civil 2013软件建立空间杆系模型，如图4所示，主体结构采用空间梁、板单元模拟，地基土对基础桩、承台的作用利用节点弹性支撑模拟。

图4 车站Midas三维整体模型

根据《铁路工程抗震设计规范》，“桥梁抗震验算的荷载，应采用地震作用与恒载和活载进行最不利组合”。该工程分别考虑地震作用下，结构内力计算按顺桥向、横桥向及有无车四种工况分别计算。并根据《铁路桥涵混凝土和预应力混凝土结构设计规范》[9]容许应力法进行截面配筋验算，验算结果如表6所示。

表6 容许应力法验算简表

综上，在多遇地震(E1地震)作用下，结构所有竖向构件及框架梁全部保持弹性，没有结构构件进入塑性状态。全部构件的抗震承载力、各项水平位移限值和舒适度满足“建规”及“桥规”有关要求。结构抗震性能能够满足性能要求I，结构一般不受损坏或不需修理可继续使用。

3.2 罕遇地震作用下结构弹塑性时程分析

3.2.1按“建规”分析

根据《建筑抗震设计规范》第5.5.3条第2款的规定，对本站进行罕遇地震下的弹塑性时程分析，三向输入地震波，地震波选取TH1TG055和TH1TG065两条天然地震波及一条人工地震波，人工地震波由该工程地震安评单位(武汉地震工程研究院提供)，按50年超越概率2%选择)，计算得到地震波主方向分为X向及Y向时结构最大楼层位移、最大层间位移角如表7所示。

表7 弹塑性层间位移角

该站在罕遇地震下，最大层间位移角发生在站厅层为1/284，小于《建筑抗震设计规范》第5.5.5条规定的1/50，满足要求。

3.2.2按“桥规”分析

罕遇地震下，选择安评报告提供的50年超越概率2%的3组地震加速度波进行计算，分别取X、Y向计算结果的最大值，如图5～图6所示。X、Y向罕遇地震作用下墩柱的非线性位移延性比最大值分别为2.37和1.79，均小于《铁路工程抗震设计规范》中第7.3.3条4.8的容许值。

图5 罕遇地震X向作用下柱墩D/D1计算结果

图6 罕遇地震Y向作用下柱墩D/D1计算结果

综上，在罕遇地震(E3地震)作用下，结构层间位移角小于“建规”容许限值，大部分墩柱虽进入塑性状态，但延性比均小于“桥规”有关要求，结构具有较好的延性。结构抗震性能目标能够满足性能要求III，即使可能产生较大破坏，但不会出现局部或整体倒毁。

4 结构抗震构造措施

该工程为抗震设防乙类的建筑结构，设计使用年限100年。其结构设计除满足计算要求及抗震构造的基本要求外，根据抗震性能目标分析结果，拟采取以下抗震加强措施。

4.1 行车相关构件构造措施

(1)与行车有关的构件按《城市轨道交通结构抗震设计规范》第8.4条以及《铁路工程抗震设计规范》(第7.3.2条、7.5.14条，墩柱箍筋全高加密，箍筋直径选用10以上；配箍率不低于主筋配筋率的1/4，且不低于0.3%，箍筋肢距不大于200mm；矩形箍筋端部布有135°弯钩，弯钩的直段长度不小于200mm；墩柱箍筋延伸到盖梁和承台的另一侧面。

(2)按《铁路工程抗震设计规范》第7.5.17条第2款，承台采用六面配筋，顶面钢筋直径应小于16、间距不应大于150mm。

(3)按《铁路工程抗震设计规范》第7.5.17条第3款，钻孔灌注桩桩头5倍桩径范围箍筋间距不大于100mm，直径不小于10mm，桩身的纵向钢筋配筋率不小于0.65%，边跨墩柱下桩纵筋通长配置，嵌岩桩或者端承桩通长配筋。

4.2 民建构件抗震构造措施

(1)框支柱、框支梁抗震等级为二级。

(2)框架柱纵筋配筋率中柱及边柱不小于1.0%(规范最小配筋率为0.8%)，角柱不小于1.2%(规范最小配筋率为0.95%)。

(3)底部设备层顶板处楼板厚250mm，采用双层双向配筋，且每个方向的配筋率不小于0.25%。其余楼层加强楼板配筋构造。结构楼板局部开洞，采取设置拉梁等加强措施。

(4)在罕遇地震作用下塑性铰相对比较集中区域，加强该区域框架梁抗剪能力和底部抗弯能力。

5 结语

本文针对具体工程案例，对“桥-建合一”的框架结构高架车站进行“小震、中震、大震”作用下的分析研究，主要桥梁构件和房建构件性能等级和结构抗震性能目标均满足规范要求，通过增加关键构件的配筋率、控制最小钢筋直径和提高构件抗震等级等一系列构造措施进一步提高了结构的抗震性能。今后对“桥-建合一”的框架结构高架车站由于行车振动引起的舒适性分析，还需要进一步深入研究。