基于轨道交通相关规范的横向双柱高架车站抗震性能研究

姜利华

(中铁上海设计院集团有限公司，200040，上海∥高级工程师)

横向双柱高架车站为单跨结构，其抗震冗余度低，易被地震破坏。由于此类车站兼具民用建筑和桥梁的特点，其结构计算需分别满足轨道交通相关规范和民用建筑相关规范的相关要求。此外，这两类相关规范要求的设计方法也不同：轨道交通相关规范要求采用容许应力法进行设计；民用建筑相关规范要求采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计。两套规范体系的设计方法和荷载组合完全不同。结构抗震性能分析需分别满足两套体系的相关要求。而国内现有的抗震规范均各自为政，未对高架车站结构的抗震设计形成系统的指导，给设计工作带来较多不便。面对国内规范的现状，本文以现有轨道交通相关规范的抗震要求为基础，研究适用于横向双柱高架车站结构抗震性能研究的分析全过程，以期为同类车站抗震设计和抗震性能研究提供参考。

1 工程概况

宁波至奉化城际铁路近期工程线路全长21.59 km，其中地下线长0.84 km，高架线长20.49 km，过渡段长0.31 km(含U型槽段)。全线设站9座，均为高架车站，其站台有效长度为118 m。列车采用B型车6节编组。本文以方桥站为例，进行横向双柱高架地铁车站的抗震性能分析。方桥站为高架侧式车站，车站总长度为121.4 m；横向柱跨为6.9 m；纵向柱跨为12.0 m，共10跨。车站共3层，分别为站厅层、站台板下层和站台层。站内轨道梁与车站站台板下层框架刚接，为桥建合一的框架结构形式。站厅层柱截面尺寸均为1.5 m×1.5 m；站台板下层柱截面尺寸除两端4根柱为1.5 m×1.5 m外，其余均为1.4 m×1.2 m；基础为桩基础，桩径为1.0 m。地上结构、承台及基础梁均采用C40混凝土，桩基采用水下C35混凝土。方桥站的典型横剖面如图1所示。

尺寸单位：mm

根据《市政公用设施抗灾设防管理规定》[1](以下简称《规定》)第二条及第十四条，方桥站属于GB 50223—2008《建筑工程抗震设防分类标准》[2](以下简称“《标准》”)中规定的重点设防类市政公用设施，应在初步设计阶段组织专家进行抗震专项论证。

2 抗震性能分析流程

根据GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》[3](以下简称《城轨抗规》)第7.2.1项条文说明，钢筋混凝土构件抗震性能验算应按图2流程进行。

图2 钢筋混凝土构件抗震性能验算流程图[3]

3 基于轨道交通相关规范的抗震性能分析

3.1 确定场地类别和设计地震动参数

根据《标准》《城轨抗规》及《宁波至奉化城际铁路工程场地地震安全性评价报告》[4](以下简称《安评》)、GB 50011—2010《建筑抗震设计规范(2016年版)》[5](以下简称《抗规》)的规定，选取场地类别和设计地震动参数如表1所示。

表1 场地类别和设计地震动参数

3.2 墩柱破坏形式判断

根据《城轨抗规》7.2.1条和附录F.1.1条规定，按“强剪弱弯”的抗震设计理念来判断墩柱的破坏形态。

3.3 建立整体模型

按《城轨抗规》6.1.4—6.1.6条要求，模拟桩基础与地基土相互作用，采用Midas Civil(V880)软件建立空间三维整体模型，如图3所示。

图3 Midas Civil三维整体模型

Midas Civil计算所得的结构前三阶振型及周期(T1、T2、T3)如图4所示。

a)横桥向(y向)平动振型图(T1=0.838 2 s)

3.4 按线性反应谱法进行多遇地震作用分析

根据《城轨抗规》3.3.1条，结构抗震性能要求Ⅰ的验算可采用线性反应谱法。

按GB 50111—2006《铁路工程抗震设计规范(2009年版)》[6](以下简称《铁路抗规》)7.1.4条、GB 50157—2013《地铁设计规范》[7](以下简称《地铁规范》)10.6.10条及《城轨抗规》6.2.4条规定，对地震作用效应和其他恒载及活载效应进行组合，按有车工况和无车工况对车站墩柱和桩基础进行抗震性能分析。

根据《城轨抗规》附录F.1.1条规定，对多遇地震作用下的车站墩柱抗剪强度进行验算，结果如表2所示。

表2 地震组合作用下不同工况的墩柱抗剪强度验算

按《城轨抗规》7.4.1条规定，对多遇地震作用下的桩基础整体抗震性能进行验算，结果如表3所示。其中，基桩屈服点对应的桩顶位移按《城轨抗规》附录B.1.4-3条和G.1.2-1条计算。

表3 地震组合工况桩顶位移验算

根据TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》[8](以下简称《铁路混规》)3.1.4条和3.3.4条：HRB400级钢筋最大容许拉、压应力为315 MPa；C40混凝土最大容许主拉应力为2.43 MPa，最大容许偏心受压应力为20.25 MPa，最大容许中心受压应力为16.2 MPa；C35混凝土最大容许主拉应力为2.25 MPa，最大容许偏心受压应力为17.7 MPa，最大容许中心受压应力为14.1 MPa。

按《铁路抗规》7.1.2条规定，对多遇地震作用下的墩身及基础进行强度和稳定性验算。

在地震组合作用下，有车工况和无车工况的车站墩柱抗震性能要求 Ⅰ 验算结果见表4和表5。

表4 地震组合作用下有车工况的墩柱性能要求Ⅰ验算结果

表5 地震组合作用下无车工况墩柱性能要求Ⅰ验算结果

有车和无车地震组合工况下车站桩基抗震性能要求Ⅰ验算结果如表6和表7所示。

表6 有车地震组合工况桩基性能要求Ⅰ验算结果

从表4—表7可看出，在多遇地震作用下，墩柱与桩基的混凝土及钢筋均处于弹性工作状态，可保证列车的行车安全。

表7 无车地震组合工况桩基性能要求Ⅰ验算结果

3.5 罕遇地震作用分析

根据《抗规》3.4.4条第2款的要求，结构薄弱层应按《抗规》有关规定进行弹塑性变形分析。现采用弹塑性动力时程分析方法对方桥站结构进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。按《抗规》表5.1.2-2和3.10.3条文说明，方桥站时程分析所用地震加速度时程的最大值取3.08 m/s2。地震波时程曲线选用与多遇地震时程分析对应的3条地震波(50年超越概率为2%，如图5所示)，按三向输入进行计算，三向加速度最大值比例按1.00∶0.85∶0.65。

a)1#地震波

采用上述3条地震波分别以x向及y向地震作用为主方向进行弹塑性动力时程分析，求得各地震波作用下的墩柱最大响应位移如表8和表9所示，桩基础承台质心处位移如表10所示。

表8 x向罕遇地震作用下的墩柱最大响应位移

表9 y向罕遇地震作用下墩柱最大响应位移

表10 罕遇地震作用下的桩基础承台质心处位移

根据《抗规》表5.5.1和表5.5.5，由表8、9可知，各楼层层间位移角θ满足1/550<θ<1/50。这表明，在罕遇地震作用下，墩柱已经进入塑性受力状态，但未发生倒塌破坏，结构抗震性能满足《城轨抗规》3.2.1条规定的性能要求Ⅲ。

由表10可知，在罕遇地震作用下，桩基仍处于弹性工作状态，满足《地铁规范》10.6.10条关于基础应按能力保护原则设计的要求。

根据《铁路抗规》7.3.3条，钢筋混凝土墩柱在罕遇地震作用下，其非线性位移延性比应小于4.8。本文弹塑性分析墩柱采用骨架分布铰，其滞回模型采用程序自带的武田三折线模型：初始刚度为K0；构件开裂表征第一屈服(对应位移D1为常量)，刚度降为K1;钢筋屈服表征第二屈服(对应位移D2为常量)，刚度下降为K2。

在3条x向为主方向的地震波作用下，计算所得的各轴墩柱x向及y向延性发展系数(不同屈服阶段分别为D/D1、D/D2，其中D表示实际位移响应)，最大值如图6及图7所示。

图6 x向地震波作用下墩柱D/D1的最大值

图7 x向地震波作用下墩柱D/D2的最大值

3条y向为主方向的地震波作用下计算所得的各轴墩柱x向及y向延性发展系数最大值如图8及图9所示。

图8 y向地震波作用下墩柱D/D1最大值

由图6—图9可知，在3条地震波作用下墩柱x向均出现了D1铰(混凝土开裂时形成的塑性转动铰)和D2铰(构件钢筋屈服时形成的塑性转动铰)，y向均出现D1铰。其中：在3#地震波作用下y向出现了D2铰；在1#、2#地震波作用下，y向未出现D2铰。这表明墩柱在罕遇地震作用下，受拉侧混凝土均已开裂，同时部分钢筋已屈服，进入弹塑性工作状态。由上述计算结果可知，D/D2均小于4.8，满足《铁路抗规》7.3.3条的延性需求。

图9 y向地震波作用下的墩柱D/D2最大值

4 结语

本文根据轨道交通相关规范要求，对“桥建合一”的横向双柱高架三层城市轨道交通车站抗震性能进行了详细的抗震分析，得出以下结论：

1)在7度抗震设防区采用横向单跨的高架侧式车站，其抗震性能可满足轨道交通相关规范要求。

2)横向双柱高架车站的一、二层结构横向刚度较纵向刚度小，其抗震较为不利。设计时应适当加大柱横向截面尺寸，使纵横向刚度趋于相近。本工程设计时未根据计算加大柱截面横向尺寸。