青島軌道交通獨柱高架車站抗震設計關鍵技術研究

高 杰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

高架車站是城市軌道交通工程建設中的重要結構型式之一[1]，因經濟效益高、乘客觀感好、救援條件優良等突出優點，在城市中心以外地區得到廣泛應用。受既有道路規劃限制，部分高架車站采用獨柱式帶長懸臂的“橋-建”組合結構體系[2]，可充分利用既有道路路中綠化帶，占地面積較小，對現狀道路基本無影響，對道路渠化要求低。但此形式質量重心高，剛度分布不規則[3]，結構安全贅余度少，抗震性能較差，設計中必須進行嚴格的抗震性能化分析。

1 車站概況

雙珠路站為青島地鐵13號線高架車站，位于雙珠路與大珠山中路交叉路口南側，沿大珠山中路南北向布置。雙珠路規劃紅線寬40 m，大珠山中路規劃紅線寬36 m。本站為路中高架側式站，為避免對大珠山中路現狀道路進行大規模改造，采用“橋-建”組合結構體系獨柱框架結構，車站總長85 m，寬23.4 m，地上3層，一層層高9 m，二層層高5.05 m，三層層高1.6 m。結構形式縱向為8柱7跨，跨度12 m，橫向兩側懸挑長度均為11.7 m，如圖1所示。

圖1 車站剖面(單位：mm)

2 工程水文地質條件

通過鉆探揭示，場區第四系厚0.80～21.40 m，主要由全新統人工填土、洪沖積層、海相沼澤化層、上更新統洪沖積層組成。共揭示14個標準層及12個亞層，自上而下分別為：素填土、粉土、粉砂、粗砂、含有機質粗砂、含有機質粉質黏土、粉質黏土、含黏性土粗砂、粗礫砂、粉質黏土、淤泥質粉砂、淤泥質粉質黏土、淤泥質中細砂等。場區內基巖以粗粒花崗巖為主，煌斑巖、花崗斑巖呈脈狀穿插其間，部分鉆孔中揭露砂土狀及塊狀碎裂巖。

場區地下水按賦存介質及埋藏條件的差異，可劃分為兩大類：第四系孔隙水、基巖裂隙水。第四系孔隙水主要賦存于陸相侵蝕堆積緩坡、河流階地地貌單元及剝蝕堆積緩坡中，以潛水為主，局部存在弱承壓性，地下水位埋深1.60～6.50 m。基巖裂隙水主要分為風化裂隙水和構造裂隙水，風化裂隙水主要賦存于基巖全風化～中等風化帶中，一般含水層厚度小于3 m，局部受斷裂構造影響含水層厚度可達10 m左右，地下水位隨地形的升高而增大；構造裂隙水主要賦存于斷裂帶兩側的構造影響帶、花崗斑巖、煌斑巖等后期侵入的脈狀巖脈擠壓裂隙密集帶中，具有一定的承壓性。地下水對混凝土結構具有微腐蝕性、混凝土結構中鋼筋具有弱腐蝕性。

根據地震安全性評價報告，雙珠路站 (設計基準期50年)地震動峰值加速度為0.05g，數值較小，反應譜較寬。依據GB 50909—2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》本站點設防地震動峰值加速度為85 cm/s2<0.09g=88.2 cm/s2，屬于0.05g，6度區，地震動參數(設計地震加速度峰值Amax、設計譜放大倍數最大值βm、設計譜拐點周期T0和Tg、衰減系數C)詳見表1。

表1 雙珠路站地震動參數

由地震影響系數峰值αmax=Amax×βm/g，則多遇地震作用(重現期100年)對應地震安全性評價報告中100年超越概率63%，計算得水平地震影響系數最大值0.11，特征周期0.45 s。

設防地震作用(重現期475年)對應地震安全性評價報告中50年超越概率10%，計算得水平地震影響系數最大值0.23，特征周期0.45 s。

罕遇地震作用(重現期2450年)對應地震安全性評價報告中50年超越概率2%，計算得水平地震影響系數最大值0.45，特征周期0.60 s。

3 結構設計方案及設防目標

3.1 車站結構設計方案

獨柱車站底層為站廳層，設置單層長懸臂梁，站廳層內設置3排框架柱，使結構豎向剛度和側向剛度更大[4]，有利于控制軌道層豎向位移和結構的橫向變形。由于青島地區特有的巖地質特點，對高架車站基礎十分有利，車站基本不會出現不均勻沉降，使用剛接軌道梁施工速度快、結構整體性能好、減小車站高度且節省造價。車站基礎采用樁基礎，兩端區間均設置雙U形梁，與車站相接處增大邊跨橫梁截面高度并設置牛腿支撐，如圖2所示。

3.2 設防目標

抗震設防目標依照《城市軌道交通結構抗震設計規范》[5]。車站采用獨柱式帶長懸臂“橋-建”組合體系，結構底部相對較為薄弱，無法形成多道抗震防線；長懸臂結構懸挑長度為11.7 m，受豎向地震作用影響較大；底部結構為框支層，均不利于結構抗震[6]。

圖2 車站結構形式

本站除全部構件需滿足多遇地震彈性的基本設防目標外，底層柱及懸臂梁應滿足中震彈性[7]，位移角<1/550 rad；大震鋼筋不屈服，位移角<1/50 rad。具體研究步驟如下。

(1)結構在多遇地震和設防地震作用下的彈性性能分析。采用振型分解反應譜法和時程分析法進行包絡設計，達到多遇地震結構處于彈性狀態、設防地震結構底層獨柱處于彈性狀態的設防目標[8]。

(2)在罕遇地震作用下結構彈塑性時程分析。對罕遇地震作用時獨柱在3條地震波作用下的反應特點進行研究，達到罕遇地震作用下底層獨柱鋼筋不屈服的預定目標[9]，以此作為結構設計依據。

(3)采用重現期大于2450年的地震參數對底層獨柱進行延性分析。依照《鐵路工程抗震設計規范》計算方法，將非線性響應最大位移與屈服位移(截面最外側鋼筋開始屈服時)間比值作為量化指標。

本站建筑抗震設防類別為重點設防類，鋼筋混凝土框架結構抗震等級為二級。抗震計算采用PKPM、MIDAS-GEN及MIDAS-CIVIL軟件。針對車站特點，橋梁類構件采用PKPM及CIVIL兩種軟件進行包絡設計，包括底層獨柱、長懸臂蓋梁，站廳層框架柱、軌道梁及支撐軌道梁的橫梁；建筑類構件采用PKPM軟件。

3.3 材料選用

車站樁基采用水下C40混凝土；承臺及拉梁采用C40混凝土；地面以下結構采用C45混凝土，抗滲等級P8；主體結構梁、板、柱采用C45混凝土(獨柱及懸臂梁為C50)。

長懸臂蓋梁采用普通鋼筋+預應力鋼絞線的部分預應力結構形式[10]，普通鋼筋選用HRB400，鋼絞線選用高強度低松弛的1×7標準型φs15.2 mm。

3.4 主要荷載選擇及組合[11]

(1)恒載：含鋼筋混凝土構件自重、鋼材自重、附屬設施自重、建筑裝修面層、承軌臺及軌道、其他管線及吊頂荷載、混凝土收縮和徐變影響、基礎變位影響。

(2)活載：列車豎向靜活載(B型車4輛編組)、列車豎向動力作用、列車橫向搖擺力、無縫線路縱向伸縮力、站廳、樓梯、站臺、人行天橋、廁所、盥洗室、風荷載、溫度作用、不上人屋面荷載及設備荷載。

(3)附加力：列車制動力或牽引力、溫度荷載。

(4)特殊荷載：無縫線路斷軌力、汽車撞墩力、施工臨時荷載及區間預制梁架設過站荷載。

(5)荷載組合：按鐵路橋涵相關規范計算與列車活載相關的結構構件，按民用建筑相關規范計算與列車活載無關的結構構件，并檢算主體結構。具體構件設計依據見表2。

表2 構件設計依據規范統計

4 抗震性能化設計分析

4.1 彈性分析

本站采用獨柱式帶長懸臂“橋-建”組合結構體系，屬于特別不規則建筑，依照《建筑抗震設計規范》在振型分解反應譜法計算的同時用彈性時程分析法補充計算[12]，采用MIDAS-GEN軟件。

4.1.1 振型分解反應譜法分析

采用振型分解反應譜法分別對多遇地震工況下的周期比、層間彈性位移角、位移比和剪重比進行計算，結果見表3。

表3 振型分解反應譜法計算結果

由表3可見：振型分解反應譜法周期比計算結果<0.9，框架結構最大層間彈性位移角<1/550，剪重比>0.69%，位移比<1.4，均滿足《建筑抗震設計規范》有關要求。

設防地震工況下底層獨柱和懸臂梁的分析計算結果見表4。由表4可見，底層獨柱軸壓比<0.6，剪壓比<0.235；懸臂梁剪壓比<0.235，均滿足規范有關要求。

表4 設防地震工況下底層柱和懸臂梁計算結果

結構剛度限制如下。

懸臂端撓度驗算：獨柱式帶長懸臂“橋-建”組合結構體系在恒載、列車活載、人群荷載及風荷載最不利組合下，懸臂端撓度最大值為27.1 mm，滿足規范要求L0/600=(2×11 700)/600=39 mm。

4.1.2 彈性時程分析法分析

彈性時程分析法計算選波為：1952，Taft Lincoln School， 339 Deg (天然波) ；1971， San Fernando， 159 Deg(天然波)；青島人工波，三向輸入地震波，三向加速度最大值比例按1：0.85：0.65[13]，計算結果見表5。

表5 彈性時程分析法各層剪力值 kN

由表5可知，底層和第二層的X向及Y向剪力值各時程曲線均小于振型分解反應譜法(CQC)組合；第三層Y向最大剪力值出現在Taft Lincoln波工況下，為CQC組合值的1.06倍。考慮第三層為站臺層，無設備用房，結構重要性相對較低。計算取時程分析法和振型分解法的包絡值，地震作用放大系數取1.0[14]。

設防地震工況下，底層柱位移角分別達到X方向1/662，Y方向1/777，均小于1/550，滿足中震彈性要求及抗震性能化設計要求，設防地震工況下性能完好[15]。

4.2 彈塑性分析

根據地震安全性評價報告，罕遇地震(E3地震作用下，重現期為2450年)水平地震影響系數最大值0.45， 特征周期0.55 s，時程加速度曲線如圖3～圖5所示，采用MIDAS-GEN軟件計算。

圖3 人工波時程曲線

圖4 1940， El Centro Site， 180 Deg天然波時程曲線

圖5 1952， Hollywood Storage P.E.， 270 Deg天然波時程曲線

罕遇地震工況下采用彈塑性時程分析方法計算，底層獨柱采用彈塑性纖維單元模型，其余構件為梁、板單元，邊界條件為雙側水平彈簧和阻尼器形式模擬結構-樁基礎-地震整體動力效應[16]。模型如圖6所示。在罕遇地震波作用下，分析鋼筋時程應力變化，調整構件配筋至鋼筋不進入屈服狀態。主要計算結果見表6。

圖6 高架車站計算模型

表6 罕遇地震工況下底層柱剪力計算結果 kN

垂直線路方向為抗震的不利方向，以其柱頂位移作為度量參考，在各地震波作用下，柱頂垂直線路方向的位移時程曲線如圖7～圖9所示。

圖7 人工波作用下柱頂位移時程曲線

圖8 El Centro Site波作用下柱頂位移時程曲線

圖9 Hollywood Storage P.E.波作用下柱頂位移時程曲線

非線性響應最大位移與屈服位移計算結果詳見表7。

表7 延性系數計算結果

依據《鐵路工程抗震設計規范》對獨柱進行延性分析，量化指標采用非線性響應最大位移與屈服位移(截面最外側鋼筋開始屈服時)間的比值，公式為

(1)

延性系數計算均能滿足《鐵路工程抗震設計規范》有關要求[17]。罕遇地震工況下，底層獨柱進入彈塑性工作狀態。垂直線路方向上，人工波層間位移角最大值為1/346，Elcent波層間位移角最大值為1/333，Hollywood波層間位移角最大值為1/290，底層位移角計算結果均能滿足規范位移角限值1/50要求。

5 地基基礎設計

車站站址處地質情況較好，表層覆蓋約4 m厚素填土和粉土，下部依次為6～7 m強風化花崗巖層、夾薄層中風化花崗巖，下部為微風化花崗巖。由于車站采用獨柱式結構，柱底軸力和彎矩均較大，應對基礎底部拉應力范圍嚴格控制。設計目標為在設防地震工況下，基底不產生拉應力[20]。

根據車站結構形式及地質情況，采用鉆孔灌注樁基礎，按嵌巖樁設計，樁端持力層為微風化花崗巖。邊柱采用6樁承臺(樁間距X向5.5m；Y向5.0 m)，中間柱采用4樁承臺(樁間距X向5.5 m；Y向5.5 m)，承臺高度為1 800 mm，樁徑1 000 mm。

樁基承載能力計算按照TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》及JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》進行。由作用在承臺頂結構柱傳來的彎矩、豎向力和承臺及其上土體自重，經計算可得樁的最大和最小樁頂作用效應詳見表8，設防地震工況下基樁均不產生拉應力。

表8 樁頂作用效應

6 結論和建議

采用有限元軟件對獨柱長懸臂高架車站進行整體建模計算，考慮水平向地震和豎向地震作用，分別進行多遇地震和設防地震作用下的振型分解反應譜法分析和彈性時程分析，以及罕遇地震作用下的非線性彈塑性時程分析。深入研究了獨柱高架車站結構設計方案和抗震性能[21]，確定合理的結構設防目標和安全儲備，得到以下結論。

(1)底層獨柱、懸臂梁和基礎是抗震設計的關鍵節點，應進行抗震性能化設計，確定適合本站的構件抗震設防目標，主要包括：底層獨柱、懸臂梁按設防地震工況彈性設計；底層獨柱按罕遇地震工況下鋼筋不進入屈服狀態；基礎在設防地震工況下不出現零應力區。

(2)橫向單柱或雙柱的高架車站結構按《鐵路工程抗震設計規范》進行抗震設計；預應力混凝土構件和抗震性能要求為Ⅰ類時高架車站抗震性能及結構層間位移按《建筑抗震設計規范》進行設計。鐵路和建筑兩類規范均需滿足，采用包絡設計。

(3)采用抗震性能化設計，應加強結構的概念設計和構造設計，考慮強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件等基本理念，體現車站不同構件在抗震性能設計中的重要程度，保證整體結構能發揮耗散地震能量的作用，避免結構出現薄弱點過早破壞。

獨柱高架車站占地面積小，可充分利用既有道路路中綠化帶，降低對現狀道路影響，減小對道路渠化要求，滿足城市軌道交通建設中對高架車站建設形式的不同需求。經過系統研究形成配套理論和技術后，可根據實際條件進一步推廣獨柱式高架車站的應用范圍，以期達到安全、經濟、合理之目標。