地铁“建桥合一”车站结构抗震性能分析

刘亚南

（中铁第一勘察设计院集团有限公司城建院，710043，西安∥工程师）

基于性能的结构抗震设计的出发点是结构的抗震性能分析［1］。设计者依据业主的要求，从不同的设计标准出发，将结构抗震性能分为不同级别，从而确定合理的抗震目标，采取合理的构造措施。

基于性能抗震设计的基本思想是把结构在可能发生的所有地震作用下的最大响应均控制在性能目标之内［2］。为实现这一目标，就需要在3级抗震设防标准的基础上进一步细化，以实现“建桥合一”结构的多层次和个性化设计思想［3］。

1 基于性能的抗震设计研究内容

基于性能的抗震设计，其研究内容一般包括确定设防水准、确定性能等级、确定性能指标、确定分析方法、制定抗震设计规范等方面。

1.1 抗震设防水准

本水准的设防参数根据客观的设防环境和已定的设防目标，并考虑具体的社会经济条件来确定。目前，国内外所使用的地震编码通常依据地震的重现周期或发生概率来确定地震设防水准［4］。其中《建筑抗震设计规范》和《城市轨道交通结构抗震规范》均采用3级抗震设防水准，前者以50年为基准期，后者以100年为基准期。对于“建桥合一”结构［5］，本文以上述规范为基础，结合《城市轨道交通结构抗震规范》，对抗震设防水准提出建议值，如表1所示。

表1 “建桥合一”结构地震设防水准建议值

1.2 抗震性能水准

抗震性能水准是当具有一定超越概率的地震发生时，预设的结构能承受的最大损伤程度［6］。研究表明：构件变形与结构的操作程度密切相关。结合文献［7-8］，对“建桥合一”结构抗震性能水准的定性描述如表2所示。

表2 “建桥合一”结构抗震性能水准划分建议表

抗震性能指标的确定在很大程度上取决于大量的地震破坏经验和试验分析［9］。综合众多研究成果，本文建议的“建桥合一”结构以层间位移角为评价指标，其量化限值如表3所示。

1.3 抗震性能目标

由性能水准和性能目标的对应关系［12］，结合《城市轨道交通结构抗震规范》中设防目标分类的规定，提出“建桥合一”结构抗震性能水平矩阵，如表4所示。

表4 “建桥合一”结构抗震性能水平矩阵

2 案例分析

2.1 工程概况

某市地面岛式站台地铁车站采用“建桥合一”结构体系的四柱框架结构。车站总长126 m，其结构1层高7.65 m，2层高为1.6 m。

工程的抗震设防类别为重点设防类，设防烈度为7度，设计地震分为三组，Ⅱ类场地，特征周期0.45 s，抗震等级为二级。该工程由梁、柱、板（用刚性板模拟）3种构件单元组成，分别包括358个节点、572个梁单元、279个板单元。其框架柱具体配筋如表5所示。

表5 框架柱配筋表

2.2 结构性能分析

结合经济效益和实际工程考虑，应使结构在罕遇地震作用下处于稳定。为防止在整体破坏之前产生局部破坏，除对结构的层间位移角限值进行预设外，还需要判断结构梁柱的塑性铰状态，得出结构的屈服机制和可能发生破坏的薄弱位置。铰状态对应的性能如表6所示。其中：level 1表示塑性铰还处于弹性阶段；level 2表示塑性铰已达到屈服状态；其余则表示各构件不同的延性：level 3对应立即使用状态（Immediate Occupancy），level 4对应生命安全状态（Life Safety），level 5对应倒塌状态（Collapse Prevention）。

由表6可知，要满足本文预设的结构性能水平，在罕遇地震作用下结构塑性铰发展状态应不超过level 3，并选用该等级作为结构的性能水平标准。

表6 铰状态对应性能

2.2.1 地震动选取

按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程，选择周期相近的地震动。

2.2.2 自振特性分析

在“建桥合一”结构模型中，单元类型选择梁-柱，材料选择混凝土，铰类型都选择骨架。对于滞回模型，梁、柱铰分别选择克拉夫模型和随动硬化模型。选取峰值加速度P对自振特性进行分析。

（1）当P=0.2g时，构件塑性发展情况如图1所示。框架梁柱基本处于弹性阶段，站厅层纵梁和站台层角柱极少数出现塑性铰。

图1 Rengong 1波作用下构件塑性发展（P=0.2g）

（2）当P=0.4g时，构件塑性发展情况如图2所示：大量站厅层柱发生屈服，站台层发生屈服的角柱量也增加，站厅层两端的框架纵梁也出现了屈服。

图2 Rengong 1波作用下构件塑性发展（P=0.4g）

（3）当P=0.6g时，构件塑性发展情况如图3所示。

（4）当P=0.8g时，构件塑性发展情况如图4所示。

由图2～4可以看出，随着地震动的进一步加强，构件的塑性状况也随之加深，但仍集中在站厅层柱体结构处，所有的柱体都发生屈服。塑性铰发展状态最大至level 4。其中：柱铰基本都是level 2和level 3状态；梁铰上出现level 4状态，超出预期设定的塑性铰状态目标。

图3 Rengong 1波作用下构件塑性发展（P=0.6g）

图4 Rengong 1波作用下构件塑性发展（P=0.8g）

2.2.3 案例总结

通过上述对结构构件发展规律的讨论，可得“建桥合一”结构的屈服机制如下：

（1）建筑结构的受力形态为“强柱弱梁”，而“建桥合一”结构则不同，其结构的塑性铰主要集中在墩柱位置。

（2）与桥梁结构相比，“建桥合一”结构的纵桥向塑性铰出现在墩柱的上下端，而墩底固结的多墩柱钢构桥纵桥向塑性铰仅出现在墩柱的顶部。

（3）“建桥合一”结构的薄弱环节为底层墩柱和站厅层边跨纵梁。

3 结语

本文采用多层次设防的思想来研究“建桥合一”结构的抗震设防水准、抗震性能和性能指标，主要研究结果有：

（1）根据国内外的规范和研究成果，提出了“建桥合一”结构的5级抗震设防水准。

（2）结合现有研究基础上，给出了“建桥合一”结构性能的5个等级，可采用单层构件失效状态作为结构抗震设计计算和地震灾害评估的参考。

（3）“建桥合一”结构中框架柱进入塑性阶段的比例较高，应重点分析框架柱的抗震性能。