独柱式大悬臂高架车站的动力特性及地震反应分析

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摘要：利用三维空间有限元法对国内第1座独柱式大悬臂高架车站——上海轨道交通6号线外高桥车站动力特性进行了计算分析，并根据反应谱理论分析了该车站的抗震能力。结果表明，独柱式大悬臂车站的下部结构对车站整体结构的动力特性影响较大，地震反应值均小于结构静力控制值。关键词：轨道交通；高架车站；动力特性；地震反应

  1概述   上海市轨道交通６号线全长30.65km。其中港城路站至五莲路站为高架线路。外高桥车站主体结构为独柱大悬臂预应力盖梁简支梁结构,分站台层和站厅层。站台层轨道梁跨度采用12.5、30.0m预应力混凝土简支梁。车站全长80m，横向宽度21.5m。外高桥车站立面、横断面见图1、2。根据该车站布局及其它构造特点影响，轨道梁采用孔跨为12.5m+12.5m+30.0m+12.5m+12.5m预应力混凝土槽形梁。站台层梁分别采用跨度为12.5、30.0m的箱形和∏形纵梁。站厅层梁采用跨度为10.5m的钢筋混凝土肋梁。车站下部结构的选型采用独柱大悬臂预应力混凝土结构。站台层1、6号墩基础与区间边墩合建；站台层3、4号墩与站厅层1、4号墩基础合建；站厅层2、3号墩基础合建；站厅层2、3号墩设牛腿作为过街天桥的支点。桥墩中心均位于绿化带中心线上，上行线中心线距绿化带中心线1.7m，下行线中心线距绿化带中心线2.3m，故两侧悬臂长相差60cm。根据基础受力、变位及下部结构整体刚度等方面的计算控制要求及平面布置特点，车站基础均采用φ100cm钻孔灌注桩，桩长60m。2计算分析模型   2.1结构计算分析模型   结构计算模型是动力特性及地震反应分析的关键，应尽量与实际结构相符。为了能真实的反映外高桥车站的实际结构，采用空间有限元法对该车站主体结构进行结构分析。其中站台层槽形梁、箱梁、∏形梁，站厅层钢筋混凝土肋梁采用梁单元离散，下部结构盖梁、墩柱采用杆单元离散。对整个车站结构离散后，单元共364个，节点总数为382个。车站结构计算模型见图3。在结构计算模型建立时还作如下考虑。(1)站台层槽形梁、箱梁、∏形梁、站厅层肋梁等纵梁。槽形梁的模型为中间用横梁连接2片主梁组成，2片主梁间距取槽形梁两腹板形心距离，横梁间距取槽形梁地板横梁实际间距。其他梁按梁单元模拟，单元刚度皆采用其实际刚度。车站纵梁为简支结构，纵梁对整个车站的刚度影响较小。   (2)支座。整个车站除槽形梁一端设球形固定铰支座，另一端设球形滑动支座外，其余均为板式支座。固定铰支座、滑动支座、板式支座沿某些自由度方向的特性通过节点强制约束来控制，计算分析中采用自由度释放的方法来实现。   (3)轨道及其他附属结构。未计轨道对该车站结构刚度的影响，但在形成质量距阵时计入了轨道及其他附属结构质量的影响。计算时将轨道及其他附属结构（电梯、扶梯、风雨棚、电力电缆、通信、信号设备、栏板、承轨台、人行天桥等）的质量计算至各纵梁的支座处。   2.2地震反应分析模型   车站地震反应分析模型与车站结构计算模型相同。车站的地震反应分析按现行的《铁路工程抗震设计规范》（GBJ111-87）中的反应谱分析法进行分析。该地区地震基本烈度6度，按7度设防，场地土为Ⅳ类土，计算分析时还应作如下考虑。   (1)取三维分析模型，地震动输入沿桥纵向、横向、竖向分别输入。   (2)地震动输入选择人工地震波，按7度设防。人工地震波的计算参照现行抗震设计规范的反应谱进行，可得规范化的人工地震波。   (3)参照现行抗震设计规范，按7度设防取水平地震动的最大加速度峰值为0.1g。   (4)车站结构的阻尼系数取2%。   (5)模型的边界条件：车站墩柱嵌固于刚度很大的承台，相比较而言，承台可以看作是刚性的。基础为桩基，承台底地基约束按转动弹簧模拟，转动弹簧系数根据土层的性质、厚度采用铁路桥规中的“m”法取单位力的变形确定。动力分析中地基比例系数m按提高2～3倍考虑。   3计算分析结果   3.1车站动力特性分析   车站的自振频率在很大程度上反映出车站刚度的大小，也就反映出车站的动力特性，因此，分析车站动力特性的首要问题便是准确地计算车站的自振频率及各阶频率对应的振型特征。表1为外高桥车站前10阶自振频率的计算结果及相应振型特征，图4为计算给出的该车站第1、2、3、4阶振型图。从表1和图4中可以看出：前3阶振型主要表现为该车站的整体横向挠曲、纵向挠曲和反对称扭曲。对应于车站结构以横向挠曲为主的第1阶振型，相应频率为1.518Hz；对应于车站结构以纵向挠曲为主的第2阶振型，相应频率为1.625Hz；对应于车站结构以纵向扭曲为主的第３阶振型，相应频率为1.625Hz。以后7阶均为车站结构的局部横向挠曲、纵向挠曲和扭曲。   以上计算分析表明，外高桥车站由于受下部结构独柱大悬臂的影响，车站整体横向刚度弱于其整体纵向刚度和抗扭刚度。   3.2地震反应分析   铁路抗震设计规范中规定，对于简支梁桥墩的地震作用，一般取前3个振型耦合。考虑到外高桥车站结构的复杂性以及该车站前10阶自振频率较为接近，地震力按3个方向分别采用50个振型进行计算。地震力的计算结果见表2、表3。   计算结果表明，纵、横向地震时，墩底地震力最大的是墩柱合建的站台3号墩、站厅1号墩；桩顶地震力最大的是基础合建的站厅层2、3号墩和合建的站台3号墩、站厅1号墩基础。此时虽然合建的墩柱和基础的地震反应较大，但因构造上的要求墩底尺寸和基础也很大，强度亦能满足要求。竖向地震时，由于该车站下部结构的预应力混凝土盖梁悬臂很大，盖梁根部地震反应大，应予充分重视。   经检算，地震反应值均小于结构静力控制值，不控制该车站下部结构的设计，车站的设计由正常使用条件控制。但为了提高该车站结构的延性，在局部构造形式和细部构造措施上应采取有效方法。   4结束语   外高桥车站由于其下部结构是独柱大悬臂盖梁结构，对车站整体结构的动力特性有较大影响。另一方面，正是由于外高桥车站是独柱大悬臂结构，车站横向自振周期达0.659s（横向自振频率1.518Hz），结构较柔，这使得地震波效应对该车站的地震反应的影响较小，使得该车站具有很好的抗震性能。   车站是城市人流的聚散地，车站刚度的大小直接影响着行人的安全感和舒适感。车站结构太柔，整体刚度太小也不利于车站的正常使用。高架车站整体结构对行人舒适度影响的评价，目前国内外尚无统一、完善的评定标准。我国《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ69-95)及国外狄克曼（Diekmann）指标K，在评定高架车站行人舒适度时，均有一定的局限性，这方面的问题还有待于进行深入的研究。   参考文献   1赵经文,王宏钰.结构有限元分析.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1988   2CFBeards.StructuralVibrationAnalysis.EllisHorwoodSeriesinEngineeringScience.1983