地铁高架站抗震设计的几个问题与建议.doc

专业知识分享版摘 要目前，我国有关规范对于“建-桥结合”结构型式的地铁高架站抗震设计可能存在一定的盲区。论述了抗震设计有关问题，并提出了解决有关问题的建议，以供推动、完善设计规范体系。关键词高架结构; 容许应力法; 抗震概念设计; 延性设计; 性能设计 1“建-桥结合”的结构型式及相关规范的规定 地铁设计规范( GB501572003)1第 9 11 条和新修订地铁设计规范( 2009 年 10 月征求意见稿)2第 12 1 1 条均规定，车站高架结构中轨道梁、支承轨道梁的横梁、支承横梁的柱等构件及柱下基础的结构设计，均按现行铁路桥涵设计相关规范( 以下简称“桥规”) 执行。高架结构中其他构件的 设 计 应 按 现 行建 筑 抗 震 设 计 规 范 ( GB500112001) ( 2008 年 版) ( 以 下 简 称“建规”) 执行。即承受列车移动荷载的构件，按“桥规”设计; 不承受列车移动荷载的构件，按“建规”设计。 因此，业内习惯上依据这两类构件组成的结构是否独立( 两者间设置防震缝) ，将车站结构型式分为“建-桥分离”式和“建-桥结合”式两类。前者是独立的建筑结构、桥梁结构，最多是基础合一; 而后者一般是多数构件按桥梁结构设计，少数构件按建筑结构设计的框架结构或框支框架结构，设计复杂，为本文讨论的对象。 如图 1 所示为典型的“建-桥结合”路中高架车站横剖面，轨道梁与轨道层的横向框架梁整浇。也有的型式是将工厂预制的简支轨道梁，通过桥梁支座，架于车站横向框架梁上，这种型式受力分析简单，车站站台层层高较大，可更换支座，但在车站内部，更换支座往往因空间狭小而比较困难，非本文讨论的对象。 按前述规范要求，站台层和站台屋盖结构按照“建规”设计，对于轨道层和站厅层的纵向框架梁，看似不在上述规范规定的按照“桥规”进行设计的范畴内。而对于整体现浇的框架结构，这样设计显得不伦不类，也不便执行。因此业内除了对站台层和站台屋盖结构按照“建规”设计外，站台以下部分均按“桥规”进行设计。而造成这种局面的原因，笔者理解，是因为地铁规范是基于桥梁结构理论而制定的。 对于 地 震 作 用 的 计 算，地 铁 设 计 规 范( GB501572003) 第 9 2 19 条和新修订地铁设计规范( 2009 年 10 月征求意见稿) 第 12 3 18 条均 规 定，按 照 铁 路 工 程 抗 震 设 计 规 范 ( GB501112006) 执行。但该规范的有关条款，并不能完全指导设计，论述见下文第 3 1 条。 2抗震设计存在的主要问题 1) “桥规”规定的地震作用计算方式，不适合“建-桥结合”框架结构，设计标准不便于对应，未体现强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱杆件等抗震设计基本概念; 2) 两类规范体系，划分的场地土类别有差异，则计算的地震作用有差异; 3) 容许应力法不便于空间结构的整体分析; 4) 对于重要构件的延性设计要求过于简单等。 3对相关问题解决方法的建议3 1关于地震作用计算存在问题及其解决方式，以 及有关建议地震作用反应谱，桥规和建规是完全一致的，尽管表达方式不同。桥规以动力放大系数 ( 单质点的最大绝对加速度与地面最大加速度的比值 )表述，称为动力系数反应谱曲线，或 谱曲线3。而建规采用相对于重力加速度的单质点绝对最大加速度地震影响系数 表述，称为 反应谱4。两者之间存在关系: = ，其中 为地面运动的最大加速度与重力加速度的比值。 铁路工程抗震设计规范( GB501112006)( 2009 年版)3第303 条、712 条规定，用多遇地震进行墩身及基础的强度及稳定性验算; 用设防烈度地震计算桥梁上部结构与下部结构的连接强度; 用罕遇地震进行钢筋混凝土桥墩的延性及最大位移验算。 然而，对于图 1 所示的框支框架结构，如何应用规范? 显然，规范不适合这种结构型式。那么如何设计? 方法一，结合抗震设防分类进行地震作用计 算。 按建 筑 工 程 抗 震 设 防 分 类 标 准 ( GB502232008)5，地铁高架站为重点设防类，且为框支框架结构，所以按照设防烈度( 中震) 地震进行地震作用计算，按提高一度采取抗震措施，相应地采用极限概率理论进行构件截面设计。方法二，参照铁路工程抗震设计规范( GB501112006) ( 2009 年版)3，按照多遇地震( 小震) 进行结构强度计算，按照设防烈度( 中震) 地震进行节点域设计，并按照罕遇地震进行钢筋混凝土桥墩的延性设计及最大位移验算，相应地采用容许应力法进行构件截面设计。 然后，对两种不同方式的计算结果，取不利值进行设计。 我们知道，我国的建筑抗震规范是“三水准、两阶段”设计方法，中震是通过小震下地震作用计算结合材料强度调整、构件内力调整，并且通过不同的调整系数融入了强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱杆件等抗震设计基本概念。因此，上述方法一，也就是按照现行建筑抗震规范执行。需要强调的是，对如图 1 所示的这种结构型式，需按照竖向构件不连续进行相应的内力调整。3 2注意结构的刚柔问题 当站台层设置于最上层时( 图 1) ，一般采用轻钢结构屋盖，视野开阔、结构轻盈。因屋盖钢结构很柔，纳入整体模型计算，第 1 周期会长很多，以结构柔的假象，致使计算地震作用偏低很多，严重影响结构安全。不计入顶层屋盖的结构时，计算刚度大，地震作用也相应增大。因此，对这类结构，屋盖不纳入整体模型计算，只按永久荷载、可变荷载分别输入，另对柱脚的连接进行抗震验算。对规范的要求，需理解其实质、灵活应用。3 3提高底层柱的延性 这类结构由于考虑汽车撞击力、承受列车荷载等承载原因，致使结构偏刚，甚至于自振周期接近场地土的卓越周期，地震反应甚大。如何提高结构，特别是底层柱的延性，尤为关键。因此底层柱可采用增设芯柱、加大柱体积配箍率等措施，如某项目底层柱按图 2 设置芯柱。3 4关于场地土类别的划分 铁规、建规关于场地土类别的划分，存在差异。铁规是以计算深度范围内的等效剪切波速来划分，规范规定计算深度取地面或一般冲刷线以下 25m，并不得小于基础底面以下 10m。而建规是依据计算深度范围内各层土的等效剪切波速、场地覆盖层厚度为准来划分的，且计算深度取覆盖层厚度和20m 二者的较小值。 在这种情况下，就会存在同样场地，按照两规范确定的场地土类别不一样。不能不说，这是我们规范体系的不匹配，也可以说是两者的安全储备不同。如某项目场地按建规判别为类，而按铁规判别为 类。设计时，偏于安全地，取不利情况 类进行地震作用计算。3 5截面设计 如本文第 1 条，规范规定了需按桥规进行设计的构件。笔者曾就地铁规范修订稿2建议: 容许应力法虽然概念直观，但设计繁杂，需计入主力、附力、特殊荷载，并且不同的荷载组合采用不同的容许应力。现有程序，均需人工组合各工况荷载，计算较为繁杂。对于空间结构可操作性不强。“建-桥结合”的高架站采用建规进行设计，便于操作，也可以达到相应的安全储备。更主要的是，前者无法考虑强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱杆件等抗震设计基本概念( 因容许应力如何确定? 规范未予界定) 。 如图 1 所示结构，若按照建规，抗震设防分类为乙类5，属于框支框架，当设防烈度为 8 度，设计基本地震加速度 0 2g，设计地震分组第一组时，需按 9 度采取抗震措施，框架抗震等级为一级，框支框架抗震等级为特一级。按照这些条件，进行截面设计时，与容许应力法比较，需进行如下调整: 1) 材料分项系数，钢筋约 1 1，混凝土约 1 4; 2) 荷载分项系数，永久荷载 1 2 或 1 35; 可变荷载 1 4 或者1 3; 3) 结构重要性系数 0，安全等级为一级时为1 1; 4) 内力调整系数，以底层柱为例，一级框架结构的底层柱下端截面组合的弯矩设计值，乘以增大系数 1 5，而柱剪力再按调整后的弯矩基础上再按照强剪弱弯的原则，再乘以增大系数，一级取 1 4。而特一级时柱端弯矩、剪力再增大 20%。 框支柱底层柱下端及与转换层相连的柱上端的弯矩增大系数取1 8; 柱端剪力增大系数 vc应增大 20%。地震作用产生的柱轴力增大系数取 1 8。 如图 1 所示，盖梁为转换梁，底层柱为框支柱。框支柱弯矩、剪力、轴力的增大系数分别为: 1 8、3 02( 1 8 1 4 1 2 = 3 02) 、1 8。 以混凝土强度等级为 C40 的弯曲受压或偏心受压构件为例，按照容许应力法，其容许应力为13 5MPa，其轴心抗压极限强度为 27MPa，则安全系数为 2。而底层框支柱按照极限概率理论，抗弯、抗压“安全系数”为 1 25( 荷载分项系数综合) 1 1( 0) 1 4( 材料分项系数) 1 8( 弯矩、轴力增大系数) = 3 465; 而抗剪“安全系数”则为1 25 1 1 1 4 3 02 = 5 8135。 如果是路侧站，边柱落地，不设置框支框架，则抗弯、抗压“安全系数”为 1 25 1 1 1 4 1 5 =2 8875; 而抗剪“安全系数”则为 1 25 1 1 1 4 1 5 1 4 = 4 0425。 通过简单的系数比较可知: 极限概率理论中通过荷载分项系数、材料分项系数、一级或特一级内力调整、底层柱内力调整等，可以达到相应的安全储备( 笔者曾在某设防烈度为 8 度，设计基本地震加速度 0 2g，设计地震分组第一组地区，进行过高架站分析、比较，具有相似的结论) ，更主要的是，能考虑强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱杆件等抗震设计基本概念，且按其计算配筋比容许应力法的结果大很多。 而容许应力法则不具备，且应力限值确定，缺乏科学依据。 因此，建议进行这方面的研究，使规范更合理，且便于设计者操作。 注意: 本条所涉及内力调整系数，均按建筑抗震设计规范( GB500112001) ( 2008 年版) 的规定，按照建筑抗震设计规范( GB500112010) ，个别调整系数还要比 2008 年版本增大。3 6关于框支框架底层柱中震弹性的必要性 地铁高架站是属于重点设防类5、100 年设计使用年限的重要性建筑。特别是路中高架站，属于框支框架结构。笔者认为，按中震弹性设计底层柱十分必要，目前国内对这方面没有明确的规定。3 7抗震性能设计 目前地铁高架站的抗震性能设计，各地、各设计单位或有应用，对于结构安全储备的掌握力度各有差别，亟待完善、规范。 4结语 以上诸多，笔者认为，主要问题是地铁规范规定了按“桥规”容许应力法进行设计，但