高架车站设计中的三种抗震规范参数比较

杨开屏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司城市轨道与建筑设计研究院,710043,西安∥高级工程师)

高架车站设计中的三种抗震规范参数比较

杨开屏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司城市轨道与建筑设计研究院,710043,西安∥高级工程师)

比较了《建筑抗震设计规范》、《城市轨道交通结构抗震设计规范》和《铁路工程抗震设计规范》在高架车站设计中所用地震参数的异同,包括地震重现期、反应谱曲线构成、衰减指数等,得到《城市轨道交通结构抗震设计规范》对多遇地震下低烈度区软弱场地的地震作用提高最多,比《铁路工程抗震设计规范》约提高30%,比《建筑抗震设计规范》约提高80%。通过某场地条件下高架车站墩柱截面设计比较,得到《城市轨道交通结构抗震设计规范》比《建筑抗震设计规范》圬工量提高20%。

高架车站; 抗震设计; 设计参数

Author′s address China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi’an,710043,China

指导轨道交通高架车站抗震设计的规范主要有《地铁设计规范》、《建筑抗震设计规范》、《铁路工程抗震设计规范》,以及2014年12月颁布的《城市轨道交通结构抗震设计规范》。其中,《地铁设计规范》不提供高架车站抗震设计的具体理论和地震参数,而将车站构件分为车行和非车行两类后,再各自依据《铁路工程抗震设计规范》和《建筑抗震设计规范》执行抗震计算。而《城市轨道交通结构抗震设计规范》虽有涉及高架结构的抗震设计方法和地震参数的规定,但与桥梁和建筑的抗震规范有所不同。因此,对于高架车站的抗震设计来说,采用不同的规范将形成不同的设计结果。本文拟对后三种规范的地震参数进行比较,最后结合工程实例,对西安某框架式高架车站采用《建筑抗震设计规范》和《城市轨道交通结构抗震设计规范》设计产生的差异进行比较。

1 设计规范的异同比较

1.1 地震重现期

规范对于抗震设防三水准的分类均相同,即多遇地震、设防地震及罕遇地震,其中《城市轨道交通结构抗震设计规范》用词采用E1、E2、E3地震作用。规范的差异在于多遇地震重现期。《建筑抗震设计规范》和《铁路工程抗震设计规范》的地震重现期均为50 a或表述为50 a超越概率63%的地震烈度;而《城市轨道交通结构抗震设计规范》的地震重现期为100 a,相当于50 a超越概率40%的地震烈度。这意味着《城市轨道交通结构抗震设计规范》多遇地震的地震动峰值加速度较桥梁和建筑有显著提高。

1.2 地震动反应谱曲线

1.2.1 地震影响系数曲线

《建筑抗震设计规范》中的特征周期6 s内地震影响系数曲线,由直线上升段(自振周期T小于0.1 s区段)、水平段(0.1 s至特征周期Tg区段)、曲线下降段(Tg至5Tg区段)和直线下降段(5Tg至6 s区段)4段构成。地震影响系数曲线如图1所示。

注:α为地震影响系数;αmax为地震影响系数最大值;η1为下降斜率调整系数;η2为阻尼调整系数;Tg为特征周期;T为自振周期;γ为衰减指数

图1 地震影响系数曲线

1.2.2 地震动加速度反应谱曲线

《城市轨道交通结构抗震设计规范》给出特征周期6 s内的设计地震动加速度反应谱曲线。曲线由直线上升段、水平段及曲线下降段三段组成。加速度反应谱曲线如图2所示。

曲线没有直线下降段,采用曲线下降段延伸替带。这意味着自振周期大于5Tg的长周期结构,《城市轨道交通结构抗震设计规范》给出的衰减曲线下降较快,地震作用降低幅度较《建筑抗震设计规范》大。

注:βm为动力放大系数最大值;amax为峰值加速度

1.2.3 动力放大系数曲线

《铁路工程抗震设计规范》的动力放大系数β曲线不适用长周期结构,当结构自振周期大于2 s时应单独研究。曲线由直线上升段、水平段、曲线下降段和水平延伸段四段组成,曲线如下图3所示。

图3 动力放大系数β曲线

曲线的前三段构成与《建筑抗震设计规范》相近,但5Tg以后为无变化的水平延伸段。这种反应谱曲线针对桥梁结构的特点给出,因为长周期桥梁结构自振频率低,设计将避免采用。

曲线差异分析三种规范曲线的差异在于自振周期大于5Tg的长周期结构。《建筑抗震设计规范》采用直线下降方式,《城市轨道交通结构抗震设计规范》沿用曲线下降方式,而《铁路工程抗震设计规范》采用水平段或需单独研究。

1.3 反应谱曲线衰减指数γ

《建筑抗震设计规范》中

(1)

而《城市轨道交通结构抗震设计规范》中

(2)

式中:

γ——曲线下降段的衰减指数;

ξ——阻尼比。

当ξ为0.05时,《建筑抗震设计规范》对应的γ为0.9;《城市轨道交通结构抗震设计规范》对应的γ为1.0;《铁路工程抗震设计规范》没有给出γ表达式,即认为γ始终为1.0。

γ影响曲线衰减速度,γ越大衰减速度越快,地震作用折减幅度越大。由此,《建筑抗震设计规范》在反应谱的曲线下降段对地震作用折减最少。

三种规范对于Tg的取值均依赖场地类别划分,且具有一致性。可将γ分别取为0.9和1.0,按同一结构、不同场地类别进行比较。将γ的影响转化为(Tg/T)0.9/(Tg/T)1.0的值汇总见表1。

表1 γ的影响比较

由表1可见,除Ⅳ类场地外,反应谱曲线下降段内γ由0.9增大至1.0时,(Tg/T)的值约下降10%。这意味着受γ影响,自振周期在(Tg～5Tg)响应段内的结构,《建筑抗震设计规范》中的反应谱参数值比其他两种规范高约10%。

1.4 地震作用的比较

1.4.1 地震作用的计算理论

反应谱法适用于线弹性且阻尼分布均匀的结构。它通过振型正交性假设,将多自由度体系的振动问题转化为一系列单自由度的振动问题。每个单自由度振动模态称为1个振型。反应谱法即以这些振型的线性组合来表示多自由度的实际振动模态[5]。多遇地震作用的计算均采用反应谱法。据《铁路工程抗震设计规范》,j振型i质点的水平地震作用为:

(3)

式中:

FijE——j振型i质点的水平地震作用;

Ci——i质点的重要性系数;

α——水平地震基本加速度;

βj——j振型动力放大系数;

γj——j振型参与系数;

xij——j振型的振型坐标;

mi——i质点的质量。

而根据《建筑抗震设计规范》和《城市轨道交通结构抗震设计规范》,则有

(4)

式中:

Fji——j振型i质点的水平地震作用标准值;

αj——j振型自振周期的地震影响系数;

γj——j振型参与系数;

Xji——j振型i质点的水平相对位移;

Gi——i质点的重力荷载代表值。

同一高架车站自身动力特性相同,造成地震作用差异的在于不同规范对式(3)、(4)中一些参数取值的不同(包括衰减指数γ、地震动峰值加速度amax、动力放大系数βm、最大地震影响系数αmax以及重要性系数C)。以下对阻尼比为0.05的结构分析以上几种参数,并进行地震作用的比较。

1.4.2 规范的比较

1.4.2.1 《建筑抗震设计规范》与《城市轨道交通结构抗震设计规范》的比较

《建筑抗震设计规范》中,βm取值为2.25,但未在反应谱中直接体现出来,而是包含在αmax中。《城市轨道交通结构抗震设计规范》中,没有αmax,而是采用βm和amax二者的乘积。其中βm的最大值为2.5。对于amax考虑了地震动峰值加速度调整系数Γa,以考虑地震烈度和场地类别的综合影响。且在6 、7度地震区的软弱场地,Γa取值将予以增大。

以下将《城市轨道交通结构抗震设计规范》参数βm与amax的乘积与《建筑抗震设计规范》αmax进行比较,并考虑常见的Ⅱ类和Ⅲ类两种场地类别。比较结果见表2。

表2 (βm·amax)与αmax的比值

由此可见,采用《城市轨道交通结构抗震设计规范》相比采用《建筑抗震设计规范》的地震作用计算值有所增大。增大最多的为6度及7度区Ⅲ类场地,多遇地震计算值增大90%,设计地震及罕遇地震计算值增大30%。其余烈度及场地情况,多遇地震计算值增大约50%,设计地震及罕遇地震作用计算值增大约10%。响应段在平台段的结构地震作用计算值增大最多,响应段在曲线下降段的结构,由于受衰减指数影响,《城市轨道交通结构抗震设计规范》的地震作用将总体下降10%。

1.4.2.2 《铁路工程抗震设计规范》与《城市轨道交通结构抗震设计规范》比较

由式(3),《铁路工程抗震设计规范》中FijE=Ci·α·βj·γj·xij·mi。其中,β为2.25;C从重要性上考虑对多遇地震作用的提高,对于轨道交通结构其值为1.5。将《城市轨道交通结构抗震设计规范》参数βm与amax的乘积与《铁路工程抗震设计规范》中的(αmax·β·C)相比,并考虑Ⅱ类和Ⅲ类两种场地类别。比较结果见表3。

由此可见《城市轨道交通结构抗震设计规范》相比《铁路工程抗震设计规范》,地震作用计算值增大最多的为6、7度区Ⅲ类场地,三水准的地震作用计算值约增大30%～40%。其余烈度及场地情况,三水准下的地震作用计算值增大约10%。

1.4.3 比较的结果

对常见的多遇地震强度计算《城市轨道交通结构抗震设计规范》提高最多的为低烈度区软弱场地,比如6、7度区Ⅲ类场地,且相比《铁路工程抗震设计规范》提高较少,相比《建筑抗震设计规范》提高较多。对其余烈度及场地情况,《城市轨道交通结构抗震设计规范》与《铁路工程抗震设计规范》基本相当,而高于《建筑抗震设计规范》。这些差异主要受设计重现期和地震动峰值加速度调整系数的影响。

表3 (βm·amax)与(C·α·β)的比值

1.5 抗震措施

在《建筑抗震设计规范》和《城市轨道交通结构抗震设计规范》中,高架车站属于重点设防类,其抗震措施按本地区设防烈度提高1度的要求确定。而《铁路工程抗震设计规范》将结构分为A、B、C、D类。其中,高架车站按B类结构的要求执行,在抗震措施上仅按设防烈度要求确定,不需提高1度考虑。但《铁路工程抗震设计规范》在多遇地震的计算上采用了重要性系数,提高了地震作用计算值。

2 工程设计实例

2.1 工程概况

西安机场轨道交通线连接铁路西安北站至咸阳机场,是1条以地面和高架结构为主的轨道交通线路,采用6节编组B型车。本线某高架车站为二层侧式车站,采用“桥-建”组合式框架结构。车站总长146 m,总宽度为23.8 m,轨面至地面高差为7.5 m。地面一层为混凝土框架结构,二层为站台钢结构雨棚,基础采用桩基。车站的横剖面图见图4。

对于构件荷载组合和截面设计,《建筑抗震设计规范》和《城市轨道交通结构抗震设计规范》均采用极限状态法,而《铁路工程抗震设计规范》采用容许应力法。目前,车站结构设计多采用极限状态法,容许应力法一般用于车行构件补充验算。

下文以西安机场轨道交通线车站为例,比较《建筑抗震设计规范》和《城市轨道交通结构抗震设计规范》采用不同地震参数带来的设计差异。

2.2 抗震设计参数

实例车站抗震设防烈度为8度,阻尼比为0.05,场地类别为Ⅱ类,Tg为0.35 s。根据《建筑抗震设计规范》,多遇地震动峰值加速度为0.07g,αmax为0.16,γ为0.9。根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》,多遇地震动峰值加速度为0.1g,βm为2.5,γ为1.0。

2.3 地震作用比较

根据整体计算结果,结构自振周期T为0.45 s,则结构响应段位于反应谱曲线下降段。根据《建筑抗震设计规范》反应谱曲线(见图1),地震参数

根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》反应谱曲线(见图2),地震参数

根据上述地震作用计算式(4),有

《城市轨道交通结构抗震设计规范》的多遇地震作用比《建筑抗震设计规范》的高约50%。

借助PKPM结构计算软件,设定不同的反应谱参数对两种规范的设计结果进行比较。实例车站墩柱设计结果的比较列于表4。可见,其设计结果分歧主要在墩柱构件,而梁构件差异相对较小。

通过空间模型的抗震分析可见,地震作用与简化分析比值基本吻合。从设计配筋结果看,当车站墩柱满足《建筑抗震设计规范》的要求时,如采用《城市轨道交通结构抗震设计规范》设计标准,则将出现超筋设计。此时,若保持墩柱配筋率不变,则截面增大约40%;若保持截面不变,则配筋约增大70%;若截面及配筋均增大,则圬工量增加约20%。

图4 框架车站结构横剖面图

采用的规范位移角X向柱底地震作用/kNY向柱底地震作用/kN截面配筋率/%备注《建筑抗震设计规范》1/10005275811．0m×1．0m3．5《城市轨道交通结构抗震设计规范》1/5808268661．0m×1．0m6．0超筋1/8808899721．1m×1．1m4．51/10009279951．2m×1．2m3．5

3 结论

总体来说,《城市轨道交通结构抗震设计规范》的地震参数受重现期影响,对多遇地震作用提高较多,对设计及罕遇地震作用提高较少;受Γa影响,对低烈度区(6、7度区)软弱场地(Ⅲ类及以上)提高较多,对其他烈度区和场地类别提高较少。

多遇地震强度设计值增大最多的为6、7度区Ⅲ类场地。此情况下,《城市轨道交通结构抗震设计规范》的多遇地震强度设计值比《铁路工程抗震设计规范》提高30%,比《建筑抗震设计规范》提高80%。在其余烈度区及场地,《城市轨道交通结构抗震设计规范》地震作用设计值与《铁路工程抗震设计规范》基本相当,且比《建筑抗震设计规范》高40%。

设计地震和罕遇地震作用设计值增大最多的为6、7度区Ⅲ类场地。此情况下,《城市轨道交通结构抗震设计规范》的设计值较其他两种规范提高约30%。其他情况下,三种规范地震作用基本相当。

《建筑抗震设计规范》和《城市轨道交通结构抗震设计规范》的高架车站抗震措施,按烈度提高1度设计,《铁路工程抗震设计规范》不予提高。

高架车站墩柱在多遇地震下的强度设计,如采用《城市轨道交通结构抗震设计规范》设计得到的墩柱圬工量比《建筑抗震设计规范》增大约20%。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.地铁设计规范:GB 50157—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[3] 中华人民共和国建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.铁路工程抗震设计规范:GB 50111—2006(2009年版)[S].北京:中国计划出版社,2009.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.城市轨道交通结构抗震设计规范:GB 5019—2014[S].北京:中国计划出版社,2014.

Comparison of Standard Parameters in Seismic Design of Elevated Station

YANG Kaiping

The “Code for Seismic Design of Buildings”,“Urban Rail Transportation Structure Seismic Design Code” and “Seismic Design Code Railway Engineering” in the seismic design of elevated station are compared to find their different parameters, including earthquake recurrence period,response spectrum curve and attenuation index.It shows that “Urban Rail Transportation Structure Seismic Design Code” plays greater role for the frequent earthquakes at weak sites,where the anti-seismic action is increased about 30% compared to the “Seismic Design Code for Railway Engineering”, and increased about 80% compared to the “Code for Seismic Design of Buildings”.Through column section design for a reinforcement frame of elevated station,the anti-seismic action is increased 20% compared to the “Code for Seismic Design of Buildings”.

elevated station; seismic design; design parameters

TU 352:U 233.4

10.16037/j.1007-869x.2016.12.009

2015-04-03)