高架車站設計中的三種抗震規范參數比較

楊開屏

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司城市軌道與建筑設計研究院,710043,西安∥高級工程師)

高架車站設計中的三種抗震規范參數比較

楊開屏

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司城市軌道與建筑設計研究院,710043,西安∥高級工程師)

比較了《建筑抗震設計規范》、《城市軌道交通結構抗震設計規范》和《鐵路工程抗震設計規范》在高架車站設計中所用地震參數的異同,包括地震重現期、反應譜曲線構成、衰減指數等,得到《城市軌道交通結構抗震設計規范》對多遇地震下低烈度區軟弱場地的地震作用提高最多,比《鐵路工程抗震設計規范》約提高30%,比《建筑抗震設計規范》約提高80%。通過某場地條件下高架車站墩柱截面設計比較,得到《城市軌道交通結構抗震設計規范》比《建筑抗震設計規范》圬工量提高20%。

高架車站; 抗震設計; 設計參數

Author′s address China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi’an,710043,China

指導軌道交通高架車站抗震設計的規范主要有《地鐵設計規范》、《建筑抗震設計規范》、《鐵路工程抗震設計規范》,以及2014年12月頒布的《城市軌道交通結構抗震設計規范》。其中,《地鐵設計規范》不提供高架車站抗震設計的具體理論和地震參數,而將車站構件分為車行和非車行兩類后,再各自依據《鐵路工程抗震設計規范》和《建筑抗震設計規范》執行抗震計算。而《城市軌道交通結構抗震設計規范》雖有涉及高架結構的抗震設計方法和地震參數的規定,但與橋梁和建筑的抗震規范有所不同。因此,對于高架車站的抗震設計來說,采用不同的規范將形成不同的設計結果。本文擬對后三種規范的地震參數進行比較,最后結合工程實例,對西安某框架式高架車站采用《建筑抗震設計規范》和《城市軌道交通結構抗震設計規范》設計產生的差異進行比較。

1 設計規范的異同比較

1.1 地震重現期

規范對于抗震設防三水準的分類均相同,即多遇地震、設防地震及罕遇地震,其中《城市軌道交通結構抗震設計規范》用詞采用E1、E2、E3地震作用。規范的差異在于多遇地震重現期。《建筑抗震設計規范》和《鐵路工程抗震設計規范》的地震重現期均為50 a或表述為50 a超越概率63%的地震烈度;而《城市軌道交通結構抗震設計規范》的地震重現期為100 a,相當于50 a超越概率40%的地震烈度。這意味著《城市軌道交通結構抗震設計規范》多遇地震的地震動峰值加速度較橋梁和建筑有顯著提高。

1.2 地震動反應譜曲線

1.2.1 地震影響系數曲線

《建筑抗震設計規范》中的特征周期6 s內地震影響系數曲線,由直線上升段(自振周期T小于0.1 s區段)、水平段(0.1 s至特征周期Tg區段)、曲線下降段(Tg至5Tg區段)和直線下降段(5Tg至6 s區段)4段構成。地震影響系數曲線如圖1所示。

注:α為地震影響系數;αmax為地震影響系數最大值;η1為下降斜率調整系數;η2為阻尼調整系數;Tg為特征周期;T為自振周期;γ為衰減指數

圖1 地震影響系數曲線

1.2.2 地震動加速度反應譜曲線

《城市軌道交通結構抗震設計規范》給出特征周期6 s內的設計地震動加速度反應譜曲線。曲線由直線上升段、水平段及曲線下降段三段組成。加速度反應譜曲線如圖2所示。

曲線沒有直線下降段,采用曲線下降段延伸替帶。這意味著自振周期大于5Tg的長周期結構,《城市軌道交通結構抗震設計規范》給出的衰減曲線下降較快,地震作用降低幅度較《建筑抗震設計規范》大。

注:βm為動力放大系數最大值;amax為峰值加速度

1.2.3 動力放大系數曲線

《鐵路工程抗震設計規范》的動力放大系數β曲線不適用長周期結構,當結構自振周期大于2 s時應單獨研究。曲線由直線上升段、水平段、曲線下降段和水平延伸段四段組成,曲線如下圖3所示。

圖3 動力放大系數β曲線

曲線的前三段構成與《建筑抗震設計規范》相近,但5Tg以后為無變化的水平延伸段。這種反應譜曲線針對橋梁結構的特點給出,因為長周期橋梁結構自振頻率低,設計將避免采用。

曲線差異分析三種規范曲線的差異在于自振周期大于5Tg的長周期結構。《建筑抗震設計規范》采用直線下降方式,《城市軌道交通結構抗震設計規范》沿用曲線下降方式,而《鐵路工程抗震設計規范》采用水平段或需單獨研究。

1.3 反應譜曲線衰減指數γ

《建筑抗震設計規范》中

(1)

而《城市軌道交通結構抗震設計規范》中

(2)

式中:

γ——曲線下降段的衰減指數;

ξ——阻尼比。

當ξ為0.05時,《建筑抗震設計規范》對應的γ為0.9;《城市軌道交通結構抗震設計規范》對應的γ為1.0;《鐵路工程抗震設計規范》沒有給出γ表達式,即認為γ始終為1.0。

γ影響曲線衰減速度,γ越大衰減速度越快,地震作用折減幅度越大。由此,《建筑抗震設計規范》在反應譜的曲線下降段對地震作用折減最少。

三種規范對于Tg的取值均依賴場地類別劃分,且具有一致性。可將γ分別取為0.9和1.0,按同一結構、不同場地類別進行比較。將γ的影響轉化為(Tg/T)0.9/(Tg/T)1.0的值匯總見表1。

表1 γ的影響比較

由表1可見,除Ⅳ類場地外,反應譜曲線下降段內γ由0.9增大至1.0時,(Tg/T)的值約下降10%。這意味著受γ影響,自振周期在(Tg～5Tg)響應段內的結構,《建筑抗震設計規范》中的反應譜參數值比其他兩種規范高約10%。

1.4 地震作用的比較

1.4.1 地震作用的計算理論

反應譜法適用于線彈性且阻尼分布均勻的結構。它通過振型正交性假設,將多自由度體系的振動問題轉化為一系列單自由度的振動問題。每個單自由度振動模態稱為1個振型。反應譜法即以這些振型的線性組合來表示多自由度的實際振動模態[5]。多遇地震作用的計算均采用反應譜法。據《鐵路工程抗震設計規范》,j振型i質點的水平地震作用為:

(3)

式中:

FijE——j振型i質點的水平地震作用;

Ci——i質點的重要性系數;

α——水平地震基本加速度;

βj——j振型動力放大系數;

γj——j振型參與系數;

xij——j振型的振型坐標;

mi——i質點的質量。

而根據《建筑抗震設計規范》和《城市軌道交通結構抗震設計規范》,則有

(4)

式中:

Fji——j振型i質點的水平地震作用標準值;

αj——j振型自振周期的地震影響系數;

γj——j振型參與系數;

Xji——j振型i質點的水平相對位移;

Gi——i質點的重力荷載代表值。

同一高架車站自身動力特性相同,造成地震作用差異的在于不同規范對式(3)、(4)中一些參數取值的不同(包括衰減指數γ、地震動峰值加速度amax、動力放大系數βm、最大地震影響系數αmax以及重要性系數C)。以下對阻尼比為0.05的結構分析以上幾種參數,并進行地震作用的比較。

1.4.2 規范的比較

1.4.2.1 《建筑抗震設計規范》與《城市軌道交通結構抗震設計規范》的比較

《建筑抗震設計規范》中,βm取值為2.25,但未在反應譜中直接體現出來,而是包含在αmax中。《城市軌道交通結構抗震設計規范》中,沒有αmax,而是采用βm和amax二者的乘積。其中βm的最大值為2.5。對于amax考慮了地震動峰值加速度調整系數Γa,以考慮地震烈度和場地類別的綜合影響。且在6 、7度地震區的軟弱場地,Γa取值將予以增大。

以下將《城市軌道交通結構抗震設計規范》參數βm與amax的乘積與《建筑抗震設計規范》αmax進行比較,并考慮常見的Ⅱ類和Ⅲ類兩種場地類別。比較結果見表2。

表2 (βm·amax)與αmax的比值

由此可見,采用《城市軌道交通結構抗震設計規范》相比采用《建筑抗震設計規范》的地震作用計算值有所增大。增大最多的為6度及7度區Ⅲ類場地,多遇地震計算值增大90%,設計地震及罕遇地震計算值增大30%。其余烈度及場地情況,多遇地震計算值增大約50%,設計地震及罕遇地震作用計算值增大約10%。響應段在平臺段的結構地震作用計算值增大最多,響應段在曲線下降段的結構,由于受衰減指數影響,《城市軌道交通結構抗震設計規范》的地震作用將總體下降10%。

1.4.2.2 《鐵路工程抗震設計規范》與《城市軌道交通結構抗震設計規范》比較

由式(3),《鐵路工程抗震設計規范》中FijE=Ci·α·βj·γj·xij·mi。其中,β為2.25;C從重要性上考慮對多遇地震作用的提高,對于軌道交通結構其值為1.5。將《城市軌道交通結構抗震設計規范》參數βm與amax的乘積與《鐵路工程抗震設計規范》中的(αmax·β·C)相比,并考慮Ⅱ類和Ⅲ類兩種場地類別。比較結果見表3。

由此可見《城市軌道交通結構抗震設計規范》相比《鐵路工程抗震設計規范》,地震作用計算值增大最多的為6、7度區Ⅲ類場地,三水準的地震作用計算值約增大30%～40%。其余烈度及場地情況,三水準下的地震作用計算值增大約10%。

1.4.3 比較的結果

對常見的多遇地震強度計算《城市軌道交通結構抗震設計規范》提高最多的為低烈度區軟弱場地,比如6、7度區Ⅲ類場地,且相比《鐵路工程抗震設計規范》提高較少,相比《建筑抗震設計規范》提高較多。對其余烈度及場地情況,《城市軌道交通結構抗震設計規范》與《鐵路工程抗震設計規范》基本相當,而高于《建筑抗震設計規范》。這些差異主要受設計重現期和地震動峰值加速度調整系數的影響。

表3 (βm·amax)與(C·α·β)的比值

1.5 抗震措施

在《建筑抗震設計規范》和《城市軌道交通結構抗震設計規范》中,高架車站屬于重點設防類,其抗震措施按本地區設防烈度提高1度的要求確定。而《鐵路工程抗震設計規范》將結構分為A、B、C、D類。其中,高架車站按B類結構的要求執行,在抗震措施上僅按設防烈度要求確定,不需提高1度考慮。但《鐵路工程抗震設計規范》在多遇地震的計算上采用了重要性系數,提高了地震作用計算值。

2 工程設計實例

2.1 工程概況

西安機場軌道交通線連接鐵路西安北站至咸陽機場,是1條以地面和高架結構為主的軌道交通線路,采用6節編組B型車。本線某高架車站為二層側式車站,采用“橋-建”組合式框架結構。車站總長146 m,總寬度為23.8 m,軌面至地面高差為7.5 m。地面一層為混凝土框架結構,二層為站臺鋼結構雨棚,基礎采用樁基。車站的橫剖面圖見圖4。

對于構件荷載組合和截面設計,《建筑抗震設計規范》和《城市軌道交通結構抗震設計規范》均采用極限狀態法,而《鐵路工程抗震設計規范》采用容許應力法。目前,車站結構設計多采用極限狀態法,容許應力法一般用于車行構件補充驗算。

下文以西安機場軌道交通線車站為例,比較《建筑抗震設計規范》和《城市軌道交通結構抗震設計規范》采用不同地震參數帶來的設計差異。

2.2 抗震設計參數

實例車站抗震設防烈度為8度,阻尼比為0.05,場地類別為Ⅱ類,Tg為0.35 s。根據《建筑抗震設計規范》,多遇地震動峰值加速度為0.07g,αmax為0.16,γ為0.9。根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》,多遇地震動峰值加速度為0.1g,βm為2.5,γ為1.0。

2.3 地震作用比較

根據整體計算結果,結構自振周期T為0.45 s,則結構響應段位于反應譜曲線下降段。根據《建筑抗震設計規范》反應譜曲線(見圖1),地震參數

根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》反應譜曲線(見圖2),地震參數

根據上述地震作用計算式(4),有

《城市軌道交通結構抗震設計規范》的多遇地震作用比《建筑抗震設計規范》的高約50%。

借助PKPM結構計算軟件,設定不同的反應譜參數對兩種規范的設計結果進行比較。實例車站墩柱設計結果的比較列于表4。可見,其設計結果分歧主要在墩柱構件,而梁構件差異相對較小。

通過空間模型的抗震分析可見,地震作用與簡化分析比值基本吻合。從設計配筋結果看,當車站墩柱滿足《建筑抗震設計規范》的要求時,如采用《城市軌道交通結構抗震設計規范》設計標準,則將出現超筋設計。此時,若保持墩柱配筋率不變,則截面增大約40%;若保持截面不變,則配筋約增大70%;若截面及配筋均增大,則圬工量增加約20%。

圖4 框架車站結構橫剖面圖

采用的規范位移角X向柱底地震作用/kNY向柱底地震作用/kN截面配筋率/%備注《建筑抗震設計規范》1/10005275811．0m×1．0m3．5《城市軌道交通結構抗震設計規范》1/5808268661．0m×1．0m6．0超筋1/8808899721．1m×1．1m4．51/10009279951．2m×1．2m3．5

3 結論

總體來說,《城市軌道交通結構抗震設計規范》的地震參數受重現期影響,對多遇地震作用提高較多,對設計及罕遇地震作用提高較少;受Γa影響,對低烈度區(6、7度區)軟弱場地(Ⅲ類及以上)提高較多,對其他烈度區和場地類別提高較少。

多遇地震強度設計值增大最多的為6、7度區Ⅲ類場地。此情況下,《城市軌道交通結構抗震設計規范》的多遇地震強度設計值比《鐵路工程抗震設計規范》提高30%,比《建筑抗震設計規范》提高80%。在其余烈度區及場地,《城市軌道交通結構抗震設計規范》地震作用設計值與《鐵路工程抗震設計規范》基本相當,且比《建筑抗震設計規范》高40%。

設計地震和罕遇地震作用設計值增大最多的為6、7度區Ⅲ類場地。此情況下,《城市軌道交通結構抗震設計規范》的設計值較其他兩種規范提高約30%。其他情況下,三種規范地震作用基本相當。

《建筑抗震設計規范》和《城市軌道交通結構抗震設計規范》的高架車站抗震措施,按烈度提高1度設計,《鐵路工程抗震設計規范》不予提高。

高架車站墩柱在多遇地震下的強度設計,如采用《城市軌道交通結構抗震設計規范》設計得到的墩柱圬工量比《建筑抗震設計規范》增大約20%。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.地鐵設計規范:GB 50157—2013[S].北京:中國建筑工業出版社,2013.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑抗震設計規范:GB 50011—2010[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[3] 中華人民共和國建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.鐵路工程抗震設計規范:GB 50111—2006(2009年版)[S].北京:中國計劃出版社,2009.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.城市軌道交通結構抗震設計規范:GB 5019—2014[S].北京:中國計劃出版社,2014.

Comparison of Standard Parameters in Seismic Design of Elevated Station

YANG Kaiping

The “Code for Seismic Design of Buildings”,“Urban Rail Transportation Structure Seismic Design Code” and “Seismic Design Code Railway Engineering” in the seismic design of elevated station are compared to find their different parameters, including earthquake recurrence period,response spectrum curve and attenuation index.It shows that “Urban Rail Transportation Structure Seismic Design Code” plays greater role for the frequent earthquakes at weak sites,where the anti-seismic action is increased about 30% compared to the “Seismic Design Code for Railway Engineering”, and increased about 80% compared to the “Code for Seismic Design of Buildings”.Through column section design for a reinforcement frame of elevated station,the anti-seismic action is increased 20% compared to the “Code for Seismic Design of Buildings”.

elevated station; seismic design; design parameters

TU 352:U 233.4

10.16037/j.1007-869x.2016.12.009

2015-04-03)