宋旭亮

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

1 工程概況

近年來，我國地鐵建設(shè)發(fā)展迅速，城市軌道交通設(shè)計也在創(chuàng)新中不斷規(guī)范和成熟。地下標(biāo)準(zhǔn)車站一般為2層單柱雙跨箱型框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)公共區(qū)樓梯的建筑布置要求，傳統(tǒng)單柱車站的中板結(jié)構(gòu)縱梁會在垂直電梯及轉(zhuǎn)折樓梯這一跨被切斷，其余連續(xù)。站廳下站臺樓梯則分列于中板縱梁兩側(cè)。經(jīng)部分城市線路運營發(fā)現(xiàn)，樓梯扶手高度不足，存在兒童或其他人翻越扶手攀爬的風(fēng)險，為安全管理帶來不便，因此考慮將此處縱梁取消。以某市地鐵標(biāo)準(zhǔn)站為例，該站全長181m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7m，站臺中心覆土深約3m，將車站中板縱梁在樓梯、垂直電梯處斷開3跨（見圖1）。通過數(shù)值模擬計算，對縱梁斷開結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)（基本組合、設(shè)防地震組合）和正常使用極限狀態(tài)（準(zhǔn)永久組合）下的安全性進(jìn)行分析，在滿足功能及結(jié)構(gòu)安全的前提下，保證運營安全。

圖1 中板縱梁斷3跨的車站結(jié)構(gòu)方案

2 計算分析

在地震中的地鐵車站結(jié)構(gòu)，其受力處于非線性階段，因此在抗震設(shè)計中按照荷載效應(yīng)組合的方式并不合理。結(jié)合反應(yīng)位移法的研究現(xiàn)狀，依據(jù)GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》，采用先對車站進(jìn)行荷載組合計算，再進(jìn)行地震反應(yīng)計算的方法。通過采用有限元軟件Midas Civil對縱向框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維建模，如圖2所示。承載能力極限狀態(tài)基本組合及正常使用極限狀態(tài)準(zhǔn)永久組合采用靜力分析法，設(shè)防地震作用采用反應(yīng)位移法。永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、覆土壓力、地層抗力、水土壓力，可變荷載包括地面超載、人群荷載及設(shè)備荷載?？拥滓陨贤馏w加權(quán)后按水土分算計算，土體黏聚力c、內(nèi)摩擦角漬以及側(cè)向基床系數(shù)均按照地質(zhì)報告推薦值取用。采用反應(yīng)位移法進(jìn)行地下車站結(jié)構(gòu)橫向地震反應(yīng)計算時，可將周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束，結(jié)構(gòu)構(gòu)件可采用梁單元進(jìn)行建模（見圖 3）。

圖2 梁斷3跨與梁斷1跨二維縱向框架模型

圖3 構(gòu)件編號

3 梁斷3跨構(gòu)件計算結(jié)果

3.1 基本組合驗算結(jié)果

按照圖3方式對構(gòu)件進(jìn)行編號，讀取軟件內(nèi)力基本組合結(jié)果，并進(jìn)行比對，選取斷梁處彎矩最大的柱Z1及柱Z6進(jìn)行驗算，斷梁處柱基本組合下強(qiáng)度驗算結(jié)果如表1所示。由表1中可知，柱滿足承載能力極限狀態(tài)設(shè)計要求。

表1 斷梁處柱驗算

3.2 地震組合驗算結(jié)果

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第11.4節(jié)相關(guān)規(guī)定，除框架頂層柱、軸壓比小于0.15的柱以及框支梁與框支柱的節(jié)點外，框架柱節(jié)點上、下端和框支柱的中間層節(jié)點上、下端的截面彎矩設(shè)計值應(yīng)根據(jù)抗震等級要求進(jìn)行調(diào)整。

選取柱Z1,Z6為例進(jìn)行計算，考慮二級抗震等級措施調(diào)整，斷梁處柱地震工況下強(qiáng)度驗算結(jié)果如表2所示。由表2中可知，柱在地震工況下強(qiáng)度滿足要求。

表2 Z1，Z6柱頂、柱底強(qiáng)度驗算

4 梁斷3跨與梁斷1跨工況柱計算結(jié)果對比

根據(jù)有限元分析結(jié)果，分別比較縱梁3次斷開方案與1次斷開方案中框架柱在基本組合與設(shè)防地震組合（梁剪力、柱彎矩及剪力均為抗震措施調(diào)整前）下的內(nèi)力計算結(jié)果（見表 3）。

表3 柱彎矩對比 kN·m

由表3可知，相比于傳統(tǒng)斷開1跨的車站模型，在地震組合工況下斷梁3跨模型中Z1柱頂彎矩增加超100%，Z2柱頂彎矩減小62.7%，Z3柱頂彎矩減小46%，Z4柱頂彎矩減小68%，Z5柱頂彎矩增加58.7%，Z6柱頂彎矩增加近310%。由此可見，地震工況下Z1，Z5和Z6的柱頂彎矩增加最多。同樣，比較柱底彎矩可得，2種工況組合下，Z1增加近69%，Z2減小近89%，Z3減小近49.9%，Z4減小近93.7%，Z5增加近48.9%，Z6增加近484%。由此可見，Z1，Z5，Z6柱頂和柱底彎矩均是增加的，Z2，Z3，Z4柱頂和柱底彎矩均是減小的。斷梁最邊跨的柱彎矩增加最大，應(yīng)作為抗震設(shè)計的重點。經(jīng)過驗算，斷梁方案結(jié)構(gòu)柱沿縱向的受力主筋加強(qiáng)后（實配鋼筋1028）滿足構(gòu)件強(qiáng)度受力要求。

5 斷梁3跨處結(jié)構(gòu)柱的設(shè)計建議

根據(jù)計算結(jié)果以柱Z1為例進(jìn)行分析計算（見表4），設(shè)計框架柱Z1尺寸為0.7m×1.3m。

表4 柱Z1地震組合斷梁方案與傳統(tǒng)方案內(nèi)力對比

由表4可知，梁斷后在抗震工況下柱彎矩、剪力明顯增加，軸力略微減小。

表5 斷梁方案地震工況下柱Z1配筋計算

6 結(jié)論與建議

利用通用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出如下結(jié)論與建議。

1）相較傳統(tǒng)車站模型，斷梁3跨后在地震組合工況下斷梁旁柱頂、柱底彎矩增加明顯，剪力明顯增加，軸力略微減小。斷梁最邊跨的柱彎矩增加最大，應(yīng)作為抗震設(shè)計的重點。

2）設(shè)計時，根據(jù)各工況內(nèi)力結(jié)果，斷梁處結(jié)構(gòu)柱建議考慮加強(qiáng)短邊豎向主筋，同時加密箍筋，以滿足受力要求及抗震構(gòu)造要求。

3）經(jīng)承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)下的設(shè)計及分析，中縱梁斷開3跨后，主框架柱滿足功能及結(jié)構(gòu)安全，保證運營安全管理。