地鐵“建橋合一”車站結構抗震性能分析

劉亞南

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司城建院，710043，西安∥工程師）

基于性能的結構抗震設計的出發點是結構的抗震性能分析［1］。設計者依據業主的要求，從不同的設計標準出發，將結構抗震性能分為不同級別，從而確定合理的抗震目標，采取合理的構造措施。

基于性能抗震設計的基本思想是把結構在可能發生的所有地震作用下的最大響應均控制在性能目標之內［2］。為實現這一目標，就需要在3級抗震設防標準的基礎上進一步細化，以實現“建橋合一”結構的多層次和個性化設計思想［3］。

1 基于性能的抗震設計研究內容

基于性能的抗震設計，其研究內容一般包括確定設防水準、確定性能等級、確定性能指標、確定分析方法、制定抗震設計規范等方面。

1.1 抗震設防水準

本水準的設防參數根據客觀的設防環境和已定的設防目標，并考慮具體的社會經濟條件來確定。目前，國內外所使用的地震編碼通常依據地震的重現周期或發生概率來確定地震設防水準［4］。其中《建筑抗震設計規范》和《城市軌道交通結構抗震規范》均采用3級抗震設防水準，前者以50年為基準期，后者以100年為基準期。對于“建橋合一”結構［5］，本文以上述規范為基礎，結合《城市軌道交通結構抗震規范》，對抗震設防水準提出建議值，如表1所示。

表1 “建橋合一”結構地震設防水準建議值

1.2 抗震性能水準

抗震性能水準是當具有一定超越概率的地震發生時，預設的結構能承受的最大損傷程度［6］。研究表明：構件變形與結構的操作程度密切相關。結合文獻［7-8］，對“建橋合一”結構抗震性能水準的定性描述如表2所示。

表2 “建橋合一”結構抗震性能水準劃分建議表

抗震性能指標的確定在很大程度上取決于大量的地震破壞經驗和試驗分析［9］。綜合眾多研究成果，本文建議的“建橋合一”結構以層間位移角為評價指標，其量化限值如表3所示。

1.3 抗震性能目標

由性能水準和性能目標的對應關系［12］，結合《城市軌道交通結構抗震規范》中設防目標分類的規定，提出“建橋合一”結構抗震性能水平矩陣，如表4所示。

表4 “建橋合一”結構抗震性能水平矩陣

2 案例分析

2.1 工程概況

某市地面島式站臺地鐵車站采用“建橋合一”結構體系的四柱框架結構。車站總長126 m，其結構1層高7.65 m，2層高為1.6 m。

工程的抗震設防類別為重點設防類，設防烈度為7度，設計地震分為三組，Ⅱ類場地，特征周期0.45 s，抗震等級為二級。該工程由梁、柱、板（用剛性板模擬）3種構件單元組成，分別包括358個節點、572個梁單元、279個板單元。其框架柱具體配筋如表5所示。

表5 框架柱配筋表

2.2 結構性能分析

結合經濟效益和實際工程考慮，應使結構在罕遇地震作用下處于穩定。為防止在整體破壞之前產生局部破壞，除對結構的層間位移角限值進行預設外，還需要判斷結構梁柱的塑性鉸狀態，得出結構的屈服機制和可能發生破壞的薄弱位置。鉸狀態對應的性能如表6所示。其中：level 1表示塑性鉸還處于彈性階段；level 2表示塑性鉸已達到屈服狀態；其余則表示各構件不同的延性：level 3對應立即使用狀態（Immediate Occupancy），level 4對應生命安全狀態（Life Safety），level 5對應倒塌狀態（Collapse Prevention）。

由表6可知，要滿足本文預設的結構性能水平，在罕遇地震作用下結構塑性鉸發展狀態應不超過level 3，并選用該等級作為結構的性能水平標準。

表6 鉸狀態對應性能

2.2.1 地震動選取

按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程，選擇周期相近的地震動。

2.2.2 自振特性分析

在“建橋合一”結構模型中，單元類型選擇梁-柱，材料選擇混凝土，鉸類型都選擇骨架。對于滯回模型，梁、柱鉸分別選擇克拉夫模型和隨動硬化模型。選取峰值加速度P對自振特性進行分析。

（1）當P=0.2g時，構件塑性發展情況如圖1所示。框架梁柱基本處于彈性階段，站廳層縱梁和站臺層角柱極少數出現塑性鉸。

圖1 Rengong 1波作用下構件塑性發展（P=0.2g）

（2）當P=0.4g時，構件塑性發展情況如圖2所示：大量站廳層柱發生屈服，站臺層發生屈服的角柱量也增加，站廳層兩端的框架縱梁也出現了屈服。

圖2 Rengong 1波作用下構件塑性發展（P=0.4g）

（3）當P=0.6g時，構件塑性發展情況如圖3所示。

（4）當P=0.8g時，構件塑性發展情況如圖4所示。

由圖2～4可以看出，隨著地震動的進一步加強，構件的塑性狀況也隨之加深，但仍集中在站廳層柱體結構處，所有的柱體都發生屈服。塑性鉸發展狀態最大至level 4。其中：柱鉸基本都是level 2和level 3狀態；梁鉸上出現level 4狀態，超出預期設定的塑性鉸狀態目標。

圖3 Rengong 1波作用下構件塑性發展（P=0.6g）

圖4 Rengong 1波作用下構件塑性發展（P=0.8g）

2.2.3 案例總結

通過上述對結構構件發展規律的討論，可得“建橋合一”結構的屈服機制如下：

（1）建筑結構的受力形態為“強柱弱梁”，而“建橋合一”結構則不同，其結構的塑性鉸主要集中在墩柱位置。

（2）與橋梁結構相比，“建橋合一”結構的縱橋向塑性鉸出現在墩柱的上下端，而墩底固結的多墩柱鋼構橋縱橋向塑性鉸僅出現在墩柱的頂部。

（3）“建橋合一”結構的薄弱環節為底層墩柱和站廳層邊跨縱梁。

3 結語

本文采用多層次設防的思想來研究“建橋合一”結構的抗震設防水準、抗震性能和性能指標，主要研究結果有：

（1）根據國內外的規范和研究成果，提出了“建橋合一”結構的5級抗震設防水準。

（2）結合現有研究基礎上，給出了“建橋合一”結構性能的5個等級，可采用單層構件失效狀態作為結構抗震設計計算和地震災害評估的參考。

（3）“建橋合一”結構中框架柱進入塑性階段的比例較高，應重點分析框架柱的抗震性能。