城市轨道交通大跨度钢管混凝土柱车站地震易损性仿真分析.pdf

第6 期学专公城市轨道交通大跨度钢管混凝土柱车站地震易损性仿真分析李诗尧12（1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，7 10 0 43，西安；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室（中铁一院），7 10 0 43，西安/工程师）摘要为提升城市轨道交通车站的建筑功能，目前设计采用钢管混凝土柱且加大柱距是常见的一种手段。为此，需要对大跨度钢管混凝土柱车站的地震易损性进行研究，并对比分析钢管混凝土柱与传统钢筋混凝土柱的受力特点及抗震性能。以我国南方某采用钢管混凝土柱的城市轨道交通车站为原型，采用MidasGTSNX软件建立三维计算模型，对其地震易损性进行研究。采用静力推覆法确定车站结构的损伤指标；选择10 条天然地震波，对车站结构进行增量动力分析，得到车站在各地震作用下的相对位移角；将增量动力分析的结果进行对数正态分布拟合，得到车站的地震易损性曲线。结果表明：地震峰值加速度为0.8 8（8 为重力加速度)时，钢管混凝土柱车站结构发生轻微破坏的概率为83.46%，发生严重破坏的概率为15.2 1%，发生毁坏的概率为4.2 6%。相较于常规混凝土框架结构车站，钢管混凝土柱车站的抗震性能更好。关键词城市轨道交通；车站；大跨度钢管混凝土柱；地震易损性中图分类号U231.4；T U 3 11D0I:10.16037/j.1007-869x.2023.06.006Seismic Vulnerability Simulation Analysis ofUrban Rail Transit Large-span Concrete-filledSteel Tube Column StationLI ShiyaoAbstract To improve the functionality of urban rail transitstation design,the use of CSFT(concrete-filled steel tube)column with increased column spacing is a common approach.The seismic vulnerability of a large-span CSFT column stationneeds to be studied,and the stress characteristics and seismicperformance of CSFT columns need to be compared with con-ventional reinforced concrete columns.Taking an urban railtransit station with CFST column in southern China as proto-type,a 3D calculation model is established using Midas GTSNX software,and its seismic vulnerability is studied.The stat-ic pushover analysis method is used to determine the stationstructure damage indexes.10 natural seismic waves are select-ed,and IDA（i n c r e m e n t a l d y n a m i c a n a l y s i s)i s p e r f o r m e d t oobtain the relative displacement angles of the station under vari-ous seismic actions.The results of the IDA are fitted to a loga-rithmic normal distribution to obtain the seismic vulnerabilitycurve of the station.Results show that when the peak seismicacceleration is 0.8 g(g as the gravitational acceleration),theprobability of slight damage to the CFST station structure is83.46%,the probability of severe damage is 15.21%,and theprobability of collapse is 4.26%.Compared with a commonconcrete frame structure station,CFST column station demon-strates better seismic performance.Key wordsurban rail transit;station;large-span concrete-filled steel tube column;seismic vulnerability;simulation anal-ysisAuthors addressChina Railway First Survey and DesignInstitute Group Co.,Ltd.,710043,Xi an,China随着城市轨道交通设计成熟化，其车站设计在满足经济与安全需求的前提下，应更多地致力于提升建筑功能，即空间更大、层高更高、视野更好、乘客舒适性更强。该需求在枢纽车站、中心车站、换乘车站等重点车站中更为迫切，同时对结构设计提出的挑战性也更高。目前,常见的一种提升地铁车站建筑功能的手段为加大柱距，即在车站纵、横两个方向增加框架柱间距,从而使建筑空间布置更加自由，站厅及站台层视野更好。伴随着柱距增大，仅靠增大柱截面面积在大多数情况下已不能满足需求，这时便需要使用截面面积更小、承载能力更高的钢管混凝土柱。本文着眼于这类型车站的地震易损性进行研究,并将该类型车站与传统钢筋混凝土框架结构车站的抗震性能进行了对比。1工程背景本文结合我国南方某城市轨道交通车站的实33(1)Q城市道交通翼际工程经验，对使用钢管混凝土柱的地铁车站的地震易损性进行研究。所选城市轨道交通车站为该市重点枢纽车站,共4条线路在该站进行换乘,同时兼具了城市轨道交通与国家铁路的互联功能。因而在设计之初，该车站便打破了常规车站柱距的限制，车站横向柱距达13.5m,纵向柱距达12.0 m，以求提供更好的建筑使用功能。为与城市轨道交通车站的大跨度进行匹配,结构设计中选择了1.2m的钢管混凝土柱,并舍弃了常规车站纵梁单向受力体系，改为纵横梁双向受力体系，从而在保障安全的同时兼具经济性。该车站为地下三层站,覆土厚度为2.5m,标准段宽度为43.2 m,结构高度为3 0.1m。车站横剖面示意图如图1所示。8007300?图1某城市轨道交通车站横剖面示意图Fig.1Profile diagram of an urban rail transit station本文以该车站为原型，使用MidasGTS NX软件建立三维模型，建模过程严格按照GB/T51336一2018地下结构抗震设计标准第6.7 节及其相关规范规定进行。土体材料本构模型能够反映复杂往返加载条件下的应力-应变规律。根据实际地勘资料与室内试验数据标定模型参数,计算中考虑土体与结构接触面的力学行为。以三维模型为基础，对车站结构的地震易损性进行分析研究，从而对该非常规车站的抗震能力进行仿真检验。2结构易损性分析简介所谓结构易损性曲线,即是在对结构进行一定数量的计算分析基础上,对结构在各水平地震动作用下的性能给出合理的预测，对结构的抗震设计、加固和维修决策，以及震后经济损失和人员伤亡预342023年测等均具有重要的应用价值。易损性的研究主要分以下3 个步骤：1）定义损伤指标：对结构损伤指标进行定义时，需要得到结构的屈服状态限值和极限状态限值。本文对车站结构模型进行静力推覆分析，在此过程中观察车站结构位移状态，绘制位移曲线，完成损伤指标定义 。2）地震反应分析：要获得结构的地震易损性曲线，就必须获取结构在各地震强度下的反应情况。本文采取的方法是选取一定数量具备不同峰值加速度、不同作用持续时间、不同频率，以及不同时变振幅的地震动作为输入条件，对结构模型进行IDA（增量动力分析），得到结构位移与地震强度的对应关系。地面线3）易损性分析：结构在特定地震强度下，发生009各个等级损伤的概率。大量研究成果均表明，结构008的易损性曲线可假设为双参数对数正态分布曲线。2结构在地震作用下产生各个等级损伤的概率值PrOSL8可由式(1)计算,即结构易损性曲线可由式(1)来进行拟合 2 3 。其中,结构自身性能R。和结构在地震作用下的反应值S。均服从对数正态分布。OSLP,=-I(s,)/P:+P区下135001350043200单位：mm73001800?式中：。一结构自身性能标准差；结构在地震作用下的反应值标准差；（)一一标准正态分布函数。3车站结构损伤指标的确定对结构易损性进行分析时，首先需定义结构的地震损伤指标。本文选择钢管混凝土柱车站顶板相对于底板的最大位移角ARp（即相对位移角）作为其损伤指标,即ARD为在各个水平地震作用下,车站顶板相对于底板的最大位移与车站总高度（3 0.1m)的比值。将车站结构能够达到的ARD的极限值采用ARD,ul表示，屈服位移角采用ARD,ye表示,0.5倍的ARD,ye采用 ARD,ua表示,即 ARD,ua=0.5ARD,ye。参考国内外其他学者研究成果及文献 3,7-8,本文最终选定的车站结构损伤指标定义如下：基本完好ARD ARD,ud;轻微破坏ARD,ud AD ARD,ye;严重破坏-不ARD,eARD ARD,ut;毁坏-一ARD ARD,ult o第6 期为确定车站结构的 ARD,ye和 ARD,ll，对其进行静力推覆分析,在分析过程中以倒三角形式施加侧向荷载，由此得到的车站结构基底剪力同相对位移与ARp曲线,如图2 所示。0.330.671.001.333,1.67.2:00 2.33ARDS770604030201000.10.20.30.40.5 0.6相对位移/m图2钢管混凝土柱车站结构基底剪力同相对位移与ARD的关系曲线Fig.21Relation curve of CFST column station structral baseshear force and relative displacement ArD从图2 可以看出：车站结构的ARD,ul为1.8 7%，ARD,ye为 1.47%,ARD,ud为 0.7 3 5%。4车站结构的增量动力分析4.1地震动的选取为充分考虑地震作用的复杂性，本文从美国太平洋地震工程研究中心的强震记录数据库中选取了10 条原始地震记录来进行IDA。在IDA过程中,地震动的强度指标一般采用地面峰值加速度aps来表示。根据GB500112010建筑抗震设计规范规定，将地震动时程中加速度峰值进行调幅处理,其幅值为（0.1 1.5）8。所选的10 条地震动如表1所示。表1用于IDA的10 条地震动基本信息表Tab.110 seismic motion basic information for IDA地震波编号N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10注：地震波名称中括号内日期为地震监测台站获取地震波的时间。学专公4.2IDA结果表2 一表3 给出了10 条地震动输人条件下，车站结构顶板相对底板的位移峰值max。图3 为车站结构在各地震动作用下产生的max。图4为车站结ARD/%构的IDA曲线。由图3 一图4能够看到：在车站结构位移到达屈服位移限值前，各地震动作用下的车站结构变形均基本处于线弹性状态,该结果与静力推覆分析得