地鐵站抗震計算分析及抗震構造措施探究

覃羅毅

中鐵第一勘察設計院集團有限公司,廣西 南寧 530000

0 引言

地震是一種具有毀滅性破壞力的自然災害,可對地下交通系統造成嚴重破壞,威脅乘客的生命安全,使得城市的日常運行癱瘓。因此,地鐵站的抗震設計和構造措施,成為城市規劃與建設中的重要議題。本文對地鐵站抗震計算分析及抗震構造措施展開深入研究,以確保城市地下交通系統在地震事件中能夠保持穩定和安全運行。

1 工程概況

某地鐵站項目車站為地下2層島式站臺車站,其主體結構為雙柱三跨現澆鋼筋混凝土箱形框架結構。車站場地地形較為平坦,地貌單元屬渭河一級階地,其地震動參數如表1所示。

表1 某地鐵站地震動參數的超越概率對比

超越概率是指某一特定地震強度參數(通常是地震峰值地面加速度,即地震峰值加速度)在一定時間內被超越的概率。這個概率表示了地震強度參數超過或等于某個特定值的可能性。通常以百分比或小數形式表示,在結構工程中,設計地震荷載通常基于一定的超越概率,以確保結構在其使用壽命內能夠安全抵抗地震荷載。Amax代表最大加速度的響應譜值,通常以g(地球重力加速度)為單位,它表示地震時地表上的最大垂直加速度。βmax代表地震響應譜的振幅衰減指數,它決定了響應譜隨周期增加的速度。Tg(s)代表地震響應譜的峰值周期。γ代表地震響應譜的線性譜衰減參數,它描述了地震響應譜的線性振幅隨周期增加的速率。

2 抗震計算分析

2.1 抗震設計方法

在進行抗震分析時,研究人員采用了不同的方法來處理不同地震作用。對于E2地震作用,研究人員運用反應位移法來進行橫向地震反應計算。在這一計算中,周圍的土體被視為支撐結構的地基彈簧,這些地基彈簧的非結構連接端節點被施加以模擬地震作用[1]。這種方法可模擬土層對結構的影響,考慮了地震時土壤的動態響應。對于E3地震作用,研究人員則選擇了反應加速度法。在這個方法中,結構周圍的土體采用平面應變單元進行建模,而結構本身仍然以梁單元來表示。

2.2 地震作用基準面

在地下隧道和車站結構的地震設計中,選擇合適的地震作用基準面至關重要。為了滿足這一要求,在設計過程中,應選擇剪切波速大于等于500 m/s的巖土層位置作為地震作用基準面。

對于土層較薄(厚度小于100 m)的場地,設計地震作用基準面與結構之間的距離應不小于結構有效高度的2倍。通過保持一定的距離,結構可以更好地承受地震荷載,減小結構的震動幅度[2]。

而對于土層較厚(厚度大于100 m)的場地,設計地震作用基準面可以選擇場地覆蓋土層深度為100 m的位置。通過選取位于100 m深度的土層位置作為基準面,可以更準確地分析地震作用,并保證結構在地震時的安全性。

2.3 抗震設計荷載組合與計算

2.3.1 抗震荷載組合

根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》,對于那些被歸為重點設防類別的地下車站結構,它們在面臨E2地震作用時,必須達到抗震性能的Ⅰ級標準。該標準不僅體現了法規對于安全的嚴格要求,也反映了地下車站結構在地震中的脆弱性。為了滿足這一要求,研究人員在計算結構內力時,必須嚴謹考慮多種荷載組合的影響。

在本項目中,研究人員主要考慮了2種荷載組合。第一種是“永久荷載+偶然荷載”。這種組合考慮了長期作用下的恒定負載,如結構自身的重量、設備和設施的重量等,以及可能出現的突發荷載,如突發的地震、風力等自然力作用。第二種是“永久荷載+可變荷載”。這種組合也考慮了長期作用的恒定負載,但同時加入了可能會變化的負載,如乘客的重量、設備運行產生的動態負載等。

為了準確計算這2種荷載組合對結構內力的影響,相關工作人員采用了概率極限狀態法。這種方法綜合考慮了地震的不確定性和荷載的隨機性,能夠更準確地評估結構的抗震性能。通過這種方法,研究人員計算得出了2種荷載組合的分項系數(見表2)。

表2 組合驗算工況的荷載分項系數 單位:kN/m2

2.3.2 主要荷載計算

2.3.2.1 永久荷載

本項目使用的鋼筋砼構件,自重ρ為25 kN/m3。側墻土壓力通過計算靜止土壓力獲得。其加權平均系數為:

(1)

式中:K0代表底板土壓力,H代表埋深,n代表荷載實踐,Ki代表單位面積土壓力,h代表底板厚度。在計算底板土壓力時,研究人員通過模擬地彈簧的反向作用力,確定鋼筋砼結構的被動土壓力系數。

2.3.2.2 可變荷載計算

1)人員荷載計算。設計乘客流量通常根據城市的需求和預期的乘客流量來確定,假設設計乘客流量為Q(人/h),人員密度可以用以下公式計算:

(2)

式中:D代表單位面積上的人員密度,Q為設計乘客流量,A是車站的平均截面面積。根據人員密度和車站的截面面積,可以計算出車站內的總人員數量N。

N=D×A

(3)

將總人員數量N轉換為單位面積的人員荷載Wp(kN/m2)。

(4)

式中:g為重力加速度。本次研究中,g取值為9.81 m/s2。

2)運行車輛荷載計算。研究人員基于列車的類型、數量以及重量數據,計算運行車輛荷載。假設列車長度為L(m)、列車數量為Nc、列車重量為Wc(kN)。有效載荷長度可以通過列車的長度和停靠時間來計算,通常以s為單位。如列車停靠時間為T(s),則:

(5)

將列車的重量Wc與有效載荷長度Le進行組合,分母3 600是將小時轉換為秒的因子。在車輛荷載計算中,如果速度單位是km/h,而想要得到單位是m/s的速度,就需要將速度乘以3 600,通過上面的公式,可以計算出每米車輛長度的荷載Wv(kN/m)為:

(6)

2.3.2.3 偶然荷載計算

該項目人防荷載按照抗力等級Ⅵ級進行計算,在計算地震荷載時,依靠下列公式計算底層相對位移參數為:

(7)

式中:U(Z)代表地震深度為Z時的土層水平位移(m),Umax代表地表最大位移數,H代表地震波距離地面基準面的距離,z代表地震深度。

2.3.2.4 土層剪切力

該項目中,工作人員運用反應譜法,確定土層位移實際數據,對該數據進行微分計算,最終確定土層應變系數以及土層剪切力,其公式為:

τ=Gd×π/(H×4)×Umax×sin(π×Z/(2×H))

(8)

式中:Gd代表動剪切變形系數,τ代表土層剪切力,將已有數據代入該公式,最終得到結構頂板剪切力為13 kN/m,底板剪切力為80 kN/m,側墻剪切力為46 kN/m。

3 抗震構造措施

3.1 框架梁構造

框架柱的主筋通常為縱向鋼筋,主筋的數量、直徑和布置需要根據設計要求和地震等級來確定[3]。框架柱通常需要設置箍筋,以增強其側向抗剪能力,箍筋的數量、直徑和間距需要按照設計規范來確定。

在橫梁設計方面,橫梁的主筋通常是縱向的鋼筋,主筋的數量與直徑需要根據設計要求和橫梁的跨度來確定,通常位于橫梁的底部。為了增強橫梁的抗剪強度,通常需要在框架栓設置箍筋,以防止在地震作用下產生剪切破壞。

框架柱和橫梁之間的連接,通常采用焊接或螺栓連接,以確保構件之間的剛度和強度。連接的設計需要考慮地震作用下的力學行為。本項目中,為提高地鐵站鋼筋砼結構的抗震性,相關工作人員對現有的地鐵站結構進行抗震加固,在框架柱和橫梁上添加附加的鋼筋、混凝土包裹或其他加固材料,以提高結構的抗震性能(見表3)。

表3 梁端箍筋加密區的長度、箍筋的最大間距與最小直徑

3.2 框架柱構造

對于鋼筋混凝土柱,當考慮Ⅱ級抗震時,其截面寬度和長度應不小于450 mm。此外,剪跨比應當大于2,這意味著截面長邊與短邊的比值應當不大于3。這些規定確保了柱子的穩固性和抗震性能。同時,柱軸壓比不大于0.75,這是為了限制柱子的縱向壓力,以防止柱子過度變形或損壞。

中柱的縱向受力鋼筋配筋率應當按照不大于3%的標準進行控制。這意味著在柱子的同一截面內,鋼筋接頭的數量不應超過全截面鋼筋總數的50%。這樣可以保證鋼筋的連續性和結構的整體穩定性。

在搭接接頭范圍內,箍筋的間距應當小于等于5倍的鋼筋直徑,同時應小于100 mm。這樣可以確保箍筋在柱子中的作用得到充分發揮,提高柱子的抗剪切能力和整體穩定性。這些規定都是為了確保鋼筋混凝土柱在承受荷載和抵抗地震等外部作用時能夠保持穩定和安全[4]。

砼原料需要在模板內澆筑,以形成框架柱的主體結構(見表4)。

表4 柱截面縱向鋼筋的最小總配筋率

在澆筑混凝土之前,必須確保模板完整、垂直和牢固;在澆筑混凝土時,需要使用振搗器將混凝土均勻壓實,以減少氣孔和提高混凝土的強度。

3.3 框架節點區處理

3.3.1 梁上部縱向鋼筋貫穿中間節點

在框架的中間層中間節點,一項重要的措施是確保梁的上部縱向鋼筋穿越整個節點區域。這意味著在設計和施工中,必須確保梁的頂部縱向鋼筋以適當的方式穿過節點區域。在中間層的中間節點,框架柱的縱向鋼筋也需要穿越整個節點區域,并延伸到中間層的端節點。這樣的設計可確保柱在節點區域的連接具有足夠的強度,能夠在地震中承受應力。為了確保節點區域的縱向鋼筋連續性,柱的縱向鋼筋接頭應該被安排在節點區以外的位置。

3.3.2 框架中間層端節點和頂層節點

在框架中間層端節點和頂層節點區域,梁的縱向鋼筋需要適當的錨固長度和搭接長度,以確保連接的強度。這些尺寸通常由地震設計規范確定,以滿足地震荷載下的要求[5]。同樣,柱的縱向鋼筋也需要適當的錨固和搭接,以確保節點區域的穩定性和抗剪性能。這些細節須按照設計規范進行精確計算和執行。

4 結束語

抗震設計不僅僅是為了確保地鐵站結構在地震中的穩定,更是為了保障乘客的生命安全。在抗震構造方面,相關從業者要了解加強節點連接、使用高強度材料、增加鋼筋數量和密度、以及節點區預制等措施的重要性。這些措施不僅可以提高結構的整體抗震性能,還能增強節點區域的穩定性和耐久性。未來,需要不斷加強對新材料、新技術和新方法的研究,以適應地震活動不斷變化的環境,同時也應該不斷加強抗震設計的標準化和規范化,以確保抗震設計的科學性和有效性。