站桥一体化结构抗震受力性能分析

苏士才 秦永刚 刘能文

1.北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

2.北京市城市桥梁安全保障工程技术研究中心 100082

引言

近年来，国内地铁建设与高架道路同时飞速发展，地铁与高架桥下部结构往往会发生空间交叉，若采取对高架桥进行线位调整，或者是对高架桥下部结构进行特殊设计的做法不仅投资大，还造成占地范围的增加，同时高架桥的局部外观结构会发生改变，例如设置巨大的外伸门架或者异形结构等，对城市景观产生影响，诱发结构空间耦合受力，进一步增加工程造价及施工风险。

因此，为解决站桥分离建设带来的问题，地铁车站与高架桥进行一体化设计及施工可作为应对上述问题的有效途径，既可充分利用宝贵的城市土地资源，缓解用地紧张，又能增加城市高架桥的外观统一性、优美性。

有智慧等［1］利用SAP2000 建立站桥连接合建与分离合建的两种简化模型，通过对比3 种地震波下结构的响应，得出分离合建式车站的抗震性能更优。陈雷［2］等采用EL-Centro_t 波对站桥合一结构进行受力分析，与单独钢箱梁桥的对比结果表明动力特性主要由地铁车站控制，且桥梁的分配模式发生相应改变。倪永军等［3］通过Midas／Gen和SAP2000 建立了站桥整体模型与简化模型，验证了简化模型的合理性，并证实了基于改进的模态组合方法的侧向力加载模式下的Pushover分析方法更加适用于车站结构的抗震性能评估。贾继祥［4］依托某工程将单独钢箱梁桥模型和合建模型的动力特性进行对比分析研究，同时分别用反应谱法与时程分析法对结构的受力状态进行了研究。陶哲［5］对站桥合建结构的静力响应进行了深入分析，并对合建结构与单独建设的波形钢腹板钢-混组合桥梁的自振特性进行了分析对比。综上，站桥一体化结构受力复杂，缺少建立不同连接方式的站桥整体模型的量化对比分析。

本文依托太原市某站桥一体化设计项目，建立有限元模型，主要研究在地震工况下，桥梁基础与地铁车站之间不同连接方式对整体结构受力和结构动力特性的影响，得出各连接方式的优缺点，为此类地铁车站及高架桥一体化设计的选择提供参考。

1 工程概况

本项目结合地铁车站及高架桥同期建设特点，采用站桥一体化建设。本桥为三跨连续变截面钢箱梁结构，跨径为36.24m ＋54.71m ＋36.24m，桥梁全宽17m，上部结构为全钢结构，为增加横向受力的均匀性，在中墩及边墩墩顶局部范围灌注C40 混凝土；下部结构采用曲线双墩，中间通过横系梁连接，基础在地下车站上方采用扩大基础。

车站与高架桥结合建设，高架桥沿车站纵向布置，采用扩大基础坐落于车站正上方，扩大基础与车站顶板间采用级配碎石进行隔离，净距均大于1m，待地铁结构施工完成后再施工其上方高架桥。

图1 站桥立面示意（单位：m）Fig.1 Schematic diagram of elevation view of station-bridge structure（unit：m）

图2 站桥断面示意（单位：m）Fig.2 Schematic diagram of section view of station-bridge structure（unit：m）

2 站桥一体化有限元模型

对于站桥一体化的设计可分为三大类，站桥刚性连接、站桥杯口式弹性连接以及站桥间设垫层的铰接连接。其中刚接的实现方式是将墩柱或柱底承台的钢筋与车站顶板的钢筋连接形成整体，连接节点同步浇筑混凝土，形成完全刚接的节点，连接点三个方向的转动、位移协同变形，不产生相对位移。弹性约束连接方式主要是通过在地铁车站顶板上预设杯口，将墩柱插入杯口后，填充豆石混凝土，此种连接方式转动约束刚度较小，同时限制墩柱的水平变位。站桥铰接的连接方式，主要是采用在墩柱扩大基础下和地铁车站顶板之间填充砂卵石或碎石垫层，通过设置合理的垫层厚度，将基础反力扩散至车站顶板及框架结构，桥梁扩大基础的水平及转动刚度考虑垫层压缩刚度，与无车站时考虑地基刚度的方式相同。以上三种连接方式，区别主要在于限制墩柱的转动和水平位移及其刚度的差别，对竖向位移的约束状态基本一致。

在进行建模计算分析时，将站桥一体化进行整体建模计算分析会更加精准，对于站桥刚接状况时，若不计入地下车站计算模型，直接将墩柱底部刚接在刚体上，计算出来的墩柱底部弯矩和水平力由于没有考虑车站本身的弹性变形而会偏大，故对地下车站进行建模时，车站周边单元采用土弹簧模拟土体的弹性作用，能很好地模拟车站及桥梁的受力状况。对于铰接状况时，单独对桥梁进行计算分析，对于水平变位的计算值会由于没有考虑车站本身的变位和车站顶板与墩柱之间的相对变位，导致计算结果误差较大，故对地下车站建模时，应考虑桥梁基础与地铁车站间的弹性连接。

本站桥一体化整体模型采用MIDAS Civil软件建立，分别建立站桥刚接模型和站桥铰接模型，站桥弹性连接介于两者之间，本次暂不进行对比分析。模型中钢箱梁、墩柱、扩大基础、车站横纵框架采用梁单元模拟，车站顶板中板底板、车站左右墙、端墙采用板单元模拟；车站底板和墙体与土的作用采用节点弹性支撑模拟；模型中支座以弹性连接模拟，扩大基础底部与车站顶部的连接对于刚性连接直接刚接，对于铰接连接，在扩大基础范围内设置多个弹性连接模拟级配碎石的压缩刚度，有限元模型如图3 所示。

图3 站桥一体化有限元模型Fig.3 FEM of the integrated station-bridge structure

3 计算分析

3.1 自振特性分析

通过提取站桥刚接模型与铰接模型计算结果的前10 阶模态进行对比分析，结果见表1，由表可知，站桥刚接模型与铰接模型相比，自振频率偏大。同时结构振型分布不同，低阶振型中仅桥梁结构振型存在差异，高阶振型中站桥整体结构振型存在明显差异，主要表现为刚接模型中车站与桥梁的协同变形，如图4 所示。

表1 站桥一体化结构基频与周期Tab.1 Fundamental frequency and period of integrated station-bridge structure

图4 模型第10 阶振型Fig.4 Tenth order vibration mode

3.2 时程响应分析

时程分析法属于瞬态动力学分析方法，可以计算出地震作用下结构的响应随时间变化的关系。本文站桥结构按8 度抗震设防（0.2g），Ⅲ类场地，特征周期Tg＝0.45s；以此设计反应谱为目标谱来拟合生成人工地震动，地震波如图5 所示，分别对站桥刚接模型与铰接模型中的桥梁墩柱与车站立柱进行动力时程响应分析，时程曲线结果仅展示两种模型墩柱剪力时程曲线，见图6，其余计算结果见表2、表3。由表2 计算结果可得，在地震作用下，站桥刚接模型的墩底最大剪力与弯矩均大于站桥铰接模型，站桥铰接的连接方式对整体结构是有利的，其碎石垫层与扩大基础可以大幅减小由于地震引起的墩柱剪力与弯矩，使桥梁墩柱的受力状态得到改善，弯矩和剪力减小至0.6 倍左右。

表2 桥梁墩柱计算结果Tab.2 Calculation results of bridge columns

表3 车站立柱计算结果Tab.3 Calculation results of station columns

图5 地震波时程曲线Fig.5 Time history of the seismic wave

图6 墩柱剪力时程曲线Fig.6 Shear time history curve of bridge column

由表3 计算结果可得，在地震作用下，站桥刚接模型的地铁车站立柱顶最大剪力与弯矩均大于站桥铰接模型，且铰接模型约为刚接模型的0.6 倍，但绝对值相对较小，远小于车站立柱的承载能力限值，且车站立柱主要受轴力作用，立柱的承载力远大于作用组合，表明两种连接方式均可，但相较而言铰接模型表现更为优秀。

3.3 铰接模型中碎石垫层厚度分析

上述分析中可以得出站桥铰接模型具有一定优势，在实际应用中，扩大基础与车站顶板顶之间所设置的级配碎石垫层厚度的选取会影响整个站桥结构的受力状态。本文有限元模拟采用扩大基础范围内设置多个弹性连接模拟级配碎石的压缩刚度来实现，垫层的厚度变化会对站桥连接处的刚度产生影响，垫层厚度增加，轴向刚度与侧向刚度均会减小，本文通过更改连接刚度来模拟垫层厚度变化。

在地震工况下，对比不同垫层厚度时各构件内力响应，分析得到地震作用下垫层厚度的选取原则，以及确定最优的垫层厚度。本节选取0、50cm、100cm、150cm、200cm 垫层厚度的模型进行计算分析。

桥梁墩柱及地铁车站顶层横梁计算结果见图7。根据计算结果可以得出，垫层厚度越大起到的隔震效果越理想，桥梁墩柱因地震力引起的弯矩越小；车站顶层横梁的弯矩变化在垫层厚度为0～50cm 范围内变化明显，垫层厚度超过50cm后，横梁弯矩的变化值随垫层厚度的增加相对较小。

图7 不同垫层厚度下墩柱及横梁弯矩Fig.7 Bending moment of columns and transverse beam under different thickness cushion

综合考虑桥梁与车站的受力状态，垫层厚度的选取宜在1m 以上，但因垫层厚度增加，地铁车站埋深也会增加，对于明挖车站来说，埋深增加意味着更大的开挖量和更高的施工技术要求，因此垫层厚度的选取应综合考虑多方面因素的影响，在满足结构安全的条件下，厚度不宜过高。

4 结论

本文通过对站桥一体化整体有限元模型进行抗震受力性能分析得出以下结论：

1.站桥刚接模型的结构基频大于站桥铰接模型，且两者的振动模态存在差异，站桥刚接模型的振动模态会出现车站扭转的特征，这体现了地铁车站与桥梁的协同变形。

2.在地震激励下，站桥刚接模型桥梁墩柱与车站立柱的弯矩与剪力均大于铰接模型，其铰接模型的结果与刚接模型的结果比值在0.6 倍左右，对处于高烈度区域的桥梁跨径较大的站桥合建工程，站桥铰接的连接方式优势明显。

3.站桥铰接模型中，随垫层厚度的增加，对于桥梁结构的隔震效果越好，桥梁墩柱因地震力引起的弯矩随之减小；同时，车站横梁的受力也因此得到改善，但随厚度不断增加，改善效果逐渐降低。

4.在工程应用中选用站桥铰接模型进行设计时，为保证车站与桥梁结构受力合理，垫层厚度应在1m以上，综合考虑开挖深度等增加施工难度的影响后不宜过高。