轨道交通高架车站结构抗震性能化设计

轨道交通高架车站结构抗震性能化设计

陆平

北京城建设计发展集团股份有限公司武汉分公司

摘要：近年来，我国的城市化进程有了很大进展，轨道交通工程建设也越来越多。地下铁路是大城市发展的必需，其作为城市交通的骨干，能够很好的缓解交通压力，提高交通效率。我国地震灾害发生频繁，地下铁路结构抵抗地震破坏作用的能力非常重要，直接关系着城市交通秩序和人民生命财产安全。我国目前地铁建设发展比较迅速，关于地下结构的设计规范逐渐完善，但是对于地下结构抗震方面相关的研究还相对较少。因而对地铁地下结构的抗震设计与分析十分有必要。本文围绕城市轨道交通工程展开讨论，针对地下车站结构抗震设计内容，进而对车站的抗震能力进行分析。

关键词：城市轨道交通 ；高架车站 ；结构抗震性能；设计

引言：地震对于地下结构的破坏作用不可忽视，且位于震中附近的区域，不应忽视竖向地震对地下结构产生的破坏效果。通过对高架车站抗震三水准的计算分析，实现对结构全生命周期内地震分析，对重要构件及结构进行性能化设计，对存在的不利结果进行加强，使结构具有更可靠的抗震性能，为以后高架车站结构同类型工程设计提供借鉴和参考。

1抗震设防标准    

（1）对轨道工程中的地下车站结构和相关的地面附属结构比如是交通控制中心建筑，整体设计要大于等于100年；（2）地下车站中支护结构为永久性构建，保证刚度的条件下，要保证有100年的使用年限。
2抗震性能分析方法概述
  实际工程中，主要通过数值模拟对地下结构的抗震性能进行理论分析。常用的数值模拟方法可分为以反应位移法、反应加速度法为代表的拟静力法，和以反应谱方法、时程分析法为代表的动力分析法两类。反应位移法根据一维土层地震反应分析得到土层相对位移，由土层变形计算得到内力，并以地基弹簧的形式施加静荷载于结构上，从而获得结构的响应。反应加速法通过一维土层地震反应分析获得的动力响应，计算得到不同深度处水平有效惯性加速度，并将其按体积力的方式作用与结构上，最终得到结构的响应。拟静力法缺陷在于静力计算所得内力一般较实际动力值偏大，且对地震波的等效处理往往难以符合其不规则动态传播的实际情况。反应谱方法相对于拟静力法增加反映了地震的频谱特性，但仍然无法考虑地震力持续作用的影响，其本质上属于一种修正的拟静力分析方法。动力时程分析法可以全面地表达地震动强度、频谱特性和持续时间三大要素，分析具有过程性，更加符合实际情况，其缺陷在于计算时有较多的物理参数难以准确设定，且计算成本较大。
3计算荷载及其组合
  荷载组合依据《建筑结构荷载规范》，地震工况荷载组合包括：永久荷载、可变荷载和地震作用。计算考虑的荷载有结构自重、覆土荷载、侧向水土荷载、人群荷载、设备荷载、地面超载、地铁车辆荷载、浮力以及地震作用。反应位移法进行地下结构地震反应计算时，考虑了土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力，土层相对位移、结构周围剪力均由一维土层地震反应计算得到，结构惯性力为结构质量与峰值加速度的积。
4性能化目标

根据GB50909-2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》地震动水准E1、E2、E3确定抗震性能要求。

（1）性能要求Ⅰ：地震后不破坏或轻微破坏，应能够保持其正常使用功能；结构处于弹性工作阶段；不应因结构的变形导致轨道的过大变形而影响行车安全。（2）性能要求Ⅱ：地震后可能破坏，经修补，短期内应能恢复其正常使用功能；结构局部进入弹塑性工作阶段。（3）性能要求Ⅲ：地震后可能产生较大破坏，但不应出现局部或整体倒毁，结构处于弹塑性工作阶段。根据本工程结构构件重要性及可靠性要求，定义转换柱、转换梁为关键构件，除转换柱外的竖向构件为普通竖向构件，框架梁为耗能构件。

  5结构抗震性能化设计

  5.1小震作用下弹性计算

  对于高架车站结构，此类结构既不是典型的桥类、也不是典型的建筑结构类，弹性设计必须综合桥与建筑结构的分析计算方法，同时综合性的选择两种规范相关要求进行分析设计，结构设计时采用偏于桥梁软件CIVIL和偏于建筑结构软件SATWE进行对比分析。有效质量系数均大于90%，计算振型数足够；结构周期比、层间位移角，最大位移比及纵横桥向位移均满足规范限制的要求。表明计算结果合理可信，可以作为设计依据。

  5.2罕遇地震作用下结构静力弹塑性验算及动力弹塑性验算

  高架车站结构在罕遇地震作用下的验算常为弹塑性位移角的验算，未能真实地反映结构的各种响应、结构进入塑性的先后次序、结构整体进入塑性的程度以及结构的薄弱部位和薄弱构件。当按大震不屈服进行结构弹塑性设计时，其材料强度采用标准值，不考虑剪重比、薄弱层、0.2V0调整等地震力调整，不考虑荷载分项系数，不考虑抗震承载力调整系数。采用YJK编制的PushoverAnalysis进行大震下静力弹塑性分析，采用中国建筑科学院编制的PKPM-SAUSAGE软件进行大震下动力弹塑性分析。通过结构在大震作用下的弹塑性分析，结合结构整体反应指标和结构构件的抗震性能分析可知：（1）罕遇地震作用下静力弹塑性分析时，由计算结果可知罕遇地震作用下结构基底剪力与多遇地震基底剪力的比值约为4.9倍，地震作用量级合理；由能力曲线图可知谱曲线与需求谱曲线交于能力谱的直线部位表明结构抗震性能良好。（2）罕遇地震作用下静力弹塑性分析时，需求点对应的加载步下各层的X向层间位移角和Y向层间位移角均小于1/50，满足规范限值要求。（3）罕遇地震作用下动力弹塑性分析时，结构基底剪力为多遇地震基底剪力的2.5~5倍之间，地震作用量级合理；各工况动力弹塑性位移角均满足规范罕遇地震下层间位移角1/50的限值要求。（4）根据结构损伤云图得知，墩柱底轻微损坏已进入塑性阶段，框架结构的竖向构件（关键构件）大部分轻微损坏，局部轻度损坏，转换构件（关键构件）大部分均为轻微损坏，框架梁（耗能构件）基本为轻度损坏，基本满足性能目标的要求。但是局部转换梁（边梁）由于承受区间桥梁荷载较大重度损伤，应对其局部不满足构件通过调整截面或配筋，直至满足要求。

  结语：综上所述，社会经济的发展也带动了城市轨道交通的发展，在如今的城市轨道交通高架车站结构设计中，主要存在站桥分离、站桥结合与站桥合一的结构形式，而这三种结构的性质与优劣势各有所不同，在大量实践效果的分析中我们逐渐认识到站桥合一结构会成为今后城市轨道交通高架车站结构的发展方向。因此，文中主要针对这一结构形式对具体的设计方案进行了研究，希望能够形成完整体系对城市轨道交通高架车站结构的建设有所指导。

  参考文献

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