獨柱式大懸臂高架車站的動力特性及地震反應(yīng)分析

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摘要：利用三維空間有限元法對國內(nèi)第1座獨柱式大懸臂高架車站——上海軌道交通6號線外高橋車站動力特性進行了計算分析，并根據(jù)反應(yīng)譜理論分析了該車站的抗震能力。結(jié)果表明，獨柱式大懸臂車站的下部結(jié)構(gòu)對車站整體結(jié)構(gòu)的動力特性影響較大，地震反應(yīng)值均小于結(jié)構(gòu)靜力控制值。關(guān)鍵詞：軌道交通；高架車站；動力特性；地震反應(yīng)

  1概述   上海市軌道交通６號線全長30.65km。其中港城路站至五蓮路站為高架線路。外高橋車站主體結(jié)構(gòu)為獨柱大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁簡支梁結(jié)構(gòu),分站臺層和站廳層。站臺層軌道梁跨度采用12.5、30.0m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁。車站全長80m，橫向?qū)挾?1.5m。外高橋車站立面、橫斷面見圖1、2。根據(jù)該車站布局及其它構(gòu)造特點影響，軌道梁采用孔跨為12.5m+12.5m+30.0m+12.5m+12.5m預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁。站臺層梁分別采用跨度為12.5、30.0m的箱形和∏形縱梁。站廳層梁采用跨度為10.5m的鋼筋混凝土肋梁。車站下部結(jié)構(gòu)的選型采用獨柱大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。站臺層1、6號墩基礎(chǔ)與區(qū)間邊墩合建；站臺層3、4號墩與站廳層1、4號墩基礎(chǔ)合建；站廳層2、3號墩基礎(chǔ)合建；站廳層2、3號墩設(shè)牛腿作為過街天橋的支點。橋墩中心均位于綠化帶中心線上，上行線中心線距綠化帶中心線1.7m，下行線中心線距綠化帶中心線2.3m，故兩側(cè)懸臂長相差60cm。根據(jù)基礎(chǔ)受力、變位及下部結(jié)構(gòu)整體剛度等方面的計算控制要求及平面布置特點，車站基礎(chǔ)均采用φ100cm鉆孔灌注樁，樁長60m。2計算分析模型   2.1結(jié)構(gòu)計算分析模型   結(jié)構(gòu)計算模型是動力特性及地震反應(yīng)分析的關(guān)鍵，應(yīng)盡量與實際結(jié)構(gòu)相符。為了能真實的反映外高橋車站的實際結(jié)構(gòu)，采用空間有限元法對該車站主體結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析。其中站臺層槽形梁、箱梁、∏形梁，站廳層鋼筋混凝土肋梁采用梁單元離散，下部結(jié)構(gòu)蓋梁、墩柱采用桿單元離散。對整個車站結(jié)構(gòu)離散后，單元共364個，節(jié)點總數(shù)為382個。車站結(jié)構(gòu)計算模型見圖3。在結(jié)構(gòu)計算模型建立時還作如下考慮。(1)站臺層槽形梁、箱梁、∏形梁、站廳層肋梁等縱梁。槽形梁的模型為中間用橫梁連接2片主梁組成，2片主梁間距取槽形梁兩腹板形心距離，橫梁間距取槽形梁地板橫梁實際間距。其他梁按梁單元模擬，單元剛度皆采用其實際剛度。車站縱梁為簡支結(jié)構(gòu)，縱梁對整個車站的剛度影響較小。   (2)支座。整個車站除槽形梁一端設(shè)球形固定鉸支座，另一端設(shè)球形滑動支座外，其余均為板式支座。固定鉸支座、滑動支座、板式支座沿某些自由度方向的特性通過節(jié)點強制約束來控制，計算分析中采用自由度釋放的方法來實現(xiàn)。   (3)軌道及其他附屬結(jié)構(gòu)。未計軌道對該車站結(jié)構(gòu)剛度的影響，但在形成質(zhì)量距陣時計入了軌道及其他附屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響。計算時將軌道及其他附屬結(jié)構(gòu)（電梯、扶梯、風(fēng)雨棚、電力電纜、通信、信號設(shè)備、欄板、承軌臺、人行天橋等）的質(zhì)量計算至各縱梁的支座處。   2.2地震反應(yīng)分析模型   車站地震反應(yīng)分析模型與車站結(jié)構(gòu)計算模型相同。車站的地震反應(yīng)分析按現(xiàn)行的《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》（GBJ111-87）中的反應(yīng)譜分析法進行分析。該地區(qū)地震基本烈度6度，按7度設(shè)防，場地土為Ⅳ類土，計算分析時還應(yīng)作如下考慮。   (1)取三維分析模型，地震動輸入沿橋縱向、橫向、豎向分別輸入。   (2)地震動輸入選擇人工地震波，按7度設(shè)防。人工地震波的計算參照現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范的反應(yīng)譜進行，可得規(guī)范化的人工地震波。   (3)參照現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范，按7度設(shè)防取水平地震動的最大加速度峰值為0.1g。   (4)車站結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)取2%。   (5)模型的邊界條件：車站墩柱嵌固于剛度很大的承臺，相比較而言，承臺可以看作是剛性的。基礎(chǔ)為樁基，承臺底地基約束按轉(zhuǎn)動彈簧模擬，轉(zhuǎn)動彈簧系數(shù)根據(jù)土層的性質(zhì)、厚度采用鐵路橋規(guī)中的“m”法取單位力的變形確定。動力分析中地基比例系數(shù)m按提高2～3倍考慮。   3計算分析結(jié)果   3.1車站動力特性分析   車站的自振頻率在很大程度上反映出車站剛度的大小，也就反映出車站的動力特性，因此，分析車站動力特性的首要問題便是準確地計算車站的自振頻率及各階頻率對應(yīng)的振型特征。表1為外高橋車站前10階自振頻率的計算結(jié)果及相應(yīng)振型特征，圖4為計算給出的該車站第1、2、3、4階振型圖。從表1和圖4中可以看出：前3階振型主要表現(xiàn)為該車站的整體橫向撓曲、縱向撓曲和反對稱扭曲。對應(yīng)于車站結(jié)構(gòu)以橫向撓曲為主的第1階振型，相應(yīng)頻率為1.518Hz；對應(yīng)于車站結(jié)構(gòu)以縱向撓曲為主的第2階振型，相應(yīng)頻率為1.625Hz；對應(yīng)于車站結(jié)構(gòu)以縱向扭曲為主的第３階振型，相應(yīng)頻率為1.625Hz。以后7階均為車站結(jié)構(gòu)的局部橫向撓曲、縱向撓曲和扭曲。   以上計算分析表明，外高橋車站由于受下部結(jié)構(gòu)獨柱大懸臂的影響，車站整體橫向剛度弱于其整體縱向剛度和抗扭剛度。   3.2地震反應(yīng)分析   鐵路抗震設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，對于簡支梁橋墩的地震作用，一般取前3個振型耦合?？紤]到外高橋車站結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及該車站前10階自振頻率較為接近，地震力按3個方向分別采用50個振型進行計算。地震力的計算結(jié)果見表2、表3。   計算結(jié)果表明，縱、橫向地震時，墩底地震力最大的是墩柱合建的站臺3號墩、站廳1號墩；樁頂?shù)卣鹆ψ畲蟮氖腔A(chǔ)合建的站廳層2、3號墩和合建的站臺3號墩、站廳1號墩基礎(chǔ)。此時雖然合建的墩柱和基礎(chǔ)的地震反應(yīng)較大，但因構(gòu)造上的要求墩底尺寸和基礎(chǔ)也很大，強度亦能滿足要求。豎向地震時，由于該車站下部結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁懸臂很大，蓋梁根部地震反應(yīng)大，應(yīng)予充分重視。   經(jīng)檢算，地震反應(yīng)值均小于結(jié)構(gòu)靜力控制值，不控制該車站下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，車站的設(shè)計由正常使用條件控制。但為了提高該車站結(jié)構(gòu)的延性，在局部構(gòu)造形式和細部構(gòu)造措施上應(yīng)采取有效方法。   4結(jié)束語   外高橋車站由于其下部結(jié)構(gòu)是獨柱大懸臂蓋梁結(jié)構(gòu)，對車站整體結(jié)構(gòu)的動力特性有較大影響。另一方面，正是由于外高橋車站是獨柱大懸臂結(jié)構(gòu)，車站橫向自振周期達0.659s（橫向自振頻率1.518Hz），結(jié)構(gòu)較柔，這使得地震波效應(yīng)對該車站的地震反應(yīng)的影響較小，使得該車站具有很好的抗震性能。   車站是城市人流的聚散地，車站剛度的大小直接影響著行人的安全感和舒適感。車站結(jié)構(gòu)太柔，整體剛度太小也不利于車站的正常使用。高架車站整體結(jié)構(gòu)對行人舒適度影響的評價，目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一、完善的評定標準。我國《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ69-95)及國外狄克曼（Diekmann）指標K，在評定高架車站行人舒適度時，均有一定的局限性，這方面的問題還有待于進行深入的研究。   參考文獻   1趙經(jīng)文,王宏鈺.結(jié)構(gòu)有限元分析.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1988   2CFBeards.StructuralVibrationAnalysis.EllisHorwoodSeriesinEngineeringScience.1983