轨道交通地上高架车站结构抗震验算研究

轨道交通地上高架车站结构抗震验算研究

戴惠兰

戴惠兰

中交公路规划设计院有限公司北京100088

摘要：现今城市地铁大规模建设，在城市形成纵横交织的交通网络。车站形式因地制宜分为地上站和地下站。本文通过分析《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）规范，整理路中高架地上双柱三层标准侧式站台车站的抗震验算思路，为今后类似工程提供借鉴。

关键词：轨道交通；高架车站；双柱墩；抗震

1.抗震基本要求

1.1.抗震性能要求

1）“城规”的抗震性能要求

1）依据《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014），抗震设防目标如下：

（1）性能要求I：地震后不破坏或轻微损坏，应能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：地震后可能损坏，经修补，短期内应能恢复正常使用功能；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，但不应出现局部倒塌或整体倒毁，结构处于弹塑性工作阶段。

2）城市轨道交通结构构件、基础和支座的抗震性能等级宜按下列要求划分：

构件性能等级表1.1-1

3）构件、基础和支座的性能等级与结构抗震性能的关系应符合下列规定：

性能要求Ⅰ：构件、基础和支座的性能等级要求应为1；

性能要求Ⅱ：构件、基础的性能等级要求不应低于2；

性能要求Ⅲ：构件、基础的性能等级要求不应低于3；

4）城市轨道交通结构的抗震性能要求不应低于以下规定：

本桥高架车站为重点设防类，抗震性能要求为：E1地震作用，满足性能Ⅰ；E2地震作用，满足性能Ⅱ；E3地震作用，满足性能Ⅲ。

1.2抗震设计条件

1）抗震基本参数

以广东佛山地区某地上双柱三层侧式高架车站为例，车站首层为变电所设备用房区，层高为6.9米。地上二层为站厅层，站厅地面至站台地面高度为6米，三层为站台层，净高按照7米设计。

图1.2-1高架车站效果图

根据安评报告和地勘资料，高架段工程区地震动反应谱特征周期为0.35s，计算深度13.7m范围内等效剪切波速度160.8m/s，下伏基岩的剪切波速度>500m/s，覆盖层主要为中软土，场地类别为II类（按《铁路工程抗震设计规范》划分类别为III类）。本站地层复杂、岩土层不稳定、场地开阔平坦，土层主要以中软土为主，浅层普遍分布有软土淤泥（2-1A）、淤泥质土（2-1B）及液化土层淤泥质粉细砂（2-2）、粉细砂（3-1），为抗震不利地段。

根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》规定应按E1地震作用、E2地震作用和E3地震作用三个地震动水准分别进行结构抗震设计分析（对应于《铁路工程抗震设计规范》的多遇地震、设计地震和罕遇地震）。本工程场址基本设防烈度为Ⅶ度，只分别考虑两个主水平方向的地震作用。

2）地震动参数

《城市轨道交通结构抗震设计规范》给定的E1地震作用（0.05g，）重现周期为100年，大于《铁路工程抗震设计规范》给定的多遇地震（0.04g，重现周期约50年），这里取前者进行结构的地震作用计算。与《佛山市轨道交通场地地震安全性评价报告》给定的地震动参数（0.038g）相比，规范依然偏于安全。

《城市轨道交通结构抗震设计规范》给定的设计地震动加速度反应谱曲线为：

图1.2-2E1地震作用设计地震动加速度反应谱曲线

3）设计地震动加速度时程

可采用非线性时程分析方法计算E2地震作用和E3地震作用下结构的地震反应。设计地震动加速度时程可人工生成，且不少于3组。这里根据《佛山市轨道交通二号线一期工程场地地震安全性评价报告》提供的人工地震波（孔DZ24地震波），E2、E3各自对应3条人工地震波，限于篇幅，仅列出其中一条，如图4.5-2和图4.5-3所示。

图1.2-4E3地震作用加速度时程曲线

4）地震反应计算

E1地震作用下当采用弹性反应谱方法计算结构的地震反应，参与计算的振型数应保证其振型质量之和大于结构总质量的90%；振型反应的组合采用CQC法，振型阻尼比取5%；E2地震作用和E3地震作用可采用非线性时程分析方法；根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》规范，可将基底设为刚接计算高架车站的地震反应。

1.3抗震设计方法及参数

1.3.1抗震设计计算方法

本次分析采用了两种方法：E1水准作用下采用弹性反应谱法，借助于PKPM软件实现；E2和E3水准作用下采用非线性动力时程分析法，分别借助于PKPM和MIDAS实现。

1）弹性反应谱方法

弹性反应谱法是PKPM软件计算地震作用的常用方法。采用弹性反应谱法时，在水平地震作用下，建筑结构常考虑扭转耦联地震效应，计算时各楼层可取两个正交的水平位移和一个转角共三个自由度，并应按下列公式计算结构的地震作用和作用效应：

j振型i层的水平地震作用标准值，应按下列公式确定：

式中：、和——分别为j振型i层的x方向、y方向和转角方向的地震作用标准值；

、——分别为j振型i层质心在x、y方向的水平相对位移；

——j振型i层的相对扭转角；

——i层转动半径；

——计入扭转的j振型的参与系数

单向水平地震作用下的扭转耦联效应，可按下列公式确定：

式中：——地震作用标准值的扭转效应；

、——分别为j、k振型地震作用标准值的效应，可取前9~15个振型；

——j振型与k振型的耦联系数

2）动力时程分析方法

动力时程分析方法，它是以求解结构运动方程为基础，将实际地震加速度时程记录作为动荷载输入，进行结构的地震反应分析。该方法具有合理的理论基础，因此可以获得精确的解答。

非线性动力时程分析方法作为一种缜密的分析手段，主要用于深入分析结构的非线性地震响应，该方法使用范围广泛，可以对复杂结构的地震反应进行分析。但其计算量较大且对于模型的处理比较复杂。

1.3.2抗震性能验算的规定

根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）并参照《地铁设计规范》（GB50157-2013）的相关规定：

（1）抗震性能I下的墩、基础结构物及构件强度验算可按现行国家标准《铁路工程抗震设计规范》（GB50111－2006）执行。

（2）抗震性能I下的高架车站的站台层、站厅层结构及横梁的抗震性能和层间位移应按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）进行计算和验算；荷载组合按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）取用。

（3）抗震性能Ⅱ、Ⅲ下的墩、基础结构物及构件的抗剪强度、塑性铰变形验算应按《城市轨道交通结构抗震设计规范》规范执行，荷载组合按《铁路工程抗震设计规范》（GB50111－2006）取用。

（4）高架车站中预应力混凝土构件的抗震验算应按《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）进行。

按现行国家标准《铁路抗震规范》（GB50111-2006）（2009年版）规定，双柱高架车站墩柱结构设防类别应为B类；按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定，本高架车站抗震设防类别为乙类，属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。

1.3.3荷载组合

承受列车荷载的结构：

结构自重+二期恒载+单线100%列车竖向静活载（包络）+地震作用（包络，横向计50%活载引起的地震力）

非承受列车荷载的结构：

1.2×恒载+1.2×0.5×人群荷载+1.2×0.5×雨雪活载+1.3×地震作用

1.4地震反应计算

E1地震作用下高架车站各部分构件均需要达到抗震性能Ⅰ，该抗震性能等级下需要按照《铁路工程抗震设计规范》对墩柱、基础及各构件强度进行验算；对非承受列车荷载的结构按照《建筑抗震设计规范》进行截面抗震验算，并根据该规范验算结构层间位移。E1地震作用下结构的地震反应按照多振型弹性反应谱法计算，多振型的叠加按照CQC方法进行组合，振型阻尼取5%。

在E2E3地震作用下允许结构进入弹塑性工作阶段，此时必须考虑结构构件材料的非线性，进行必要的非线性时程分析

1.4.1抗震验算内容

1）E1地震作用

对墩和构件强度及稳定性按照现行国家标准《铁路工程抗震设计规范》和《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》有关规定进行验算。

2）E2地震作用

对墩和构件的抗剪强度、塑性铰区变形按照《城市轨道交通结构抗震设计规范》有关规定进行验算。

3）E3地震作用

对墩和构件的抗剪强度、塑性铰区变形按照《城市轨道交通结构抗震设计规范》有关规定进行验算，同时按照《铁路工程抗震设计规范》验算墩柱的延性变形；针对延性设计的墩柱，其支座按照E3地震作用（罕遇地震）根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》有关规定进行强度和变形验算。

4）能力保护构件计算

对于高架车站的结构设计，《地铁规范》第10.6.10条规定，墩柱抗震设计时，盖梁、节点应作为能力保护构件，按能力保护原则设计。另外，应保证在罕遇地震作用下，墩柱的抗剪破坏不先于抗弯破坏而发生。能力保护构件的验算参照《城市桥梁抗震设计规范》执行。相应的材料强度设计值采用《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》中经修正系数修正后的材料容许应力，而混凝土的抗压强度标准值采用《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》表3.1.4所规定的轴心抗压极限强度值，钢筋的抗拉强度标准值根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》表3.2.2-1选用。

参考文献：

[1]《地铁设计规范》（GB50157-2013）

[2]《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）

[3]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）

[4]《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）