论地震荷载对地铁车站结构的影响.pdf

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·房建工程·收稿日期:20160309论地震荷载对地铁车站结构的影响王钰鑫(中铁第五勘查设计院集团有限公司 北京 102600)摘 要 随着近年来地震突发性频率加大,对地铁车站抗震性能的研究越来越深入,不断通过对车站结构的抗震设计来降低地震灾害所带来的损失。本文从一维土层地震反应分析出发,利用反应位移地震分析法为原理,通过房建工程收稿日期: 有限元建模研究了某地铁车站结构在地震荷载作用下的内力变化,以不同工况下荷载组合为条件,计算车站结构实际所需配筋大小,分析了地震荷载对车站结构受力的影响。关键词 车站结构  地震荷载  反应位移 抗震性能中图分类号 TU311.3;  U231.4文献标识码   “文章编号 10094539 (2016)增 1037806         InfluenceofEarthquakeLoadontheStructureofSubwayStation  WangYuxin(        ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd., Beijing102600,China)程2016391           Withtheincreasingofunexpectedfrequencyofearthquakesinrecentyears,     theresearchonseismicbehaviorof       subwaystationhasbeenmoreandmoredeeply,           andtheseismicdesignofthestationstructurehasbeengraduallyoptimized              toreducethelosscausedbyearthquakedisaster.Proceedingfromtheearthquakereactionofonedimensionsoil稿 τ     takingtheapproachofearthquakedisplacement   reactionasaprinciple,    thispaperstudiestheinternal   forcechangeofa subwaystation’           structureundertheactionofearthquakeloadthroughMIDASGENfiniteelementmodeling稿,   andthenitan稿                     alyzestheinfluenceofearthquakeloadonthestructureofasubwaystationonthebasisofcalculatingtheactualbararrange稿         mentsofthestructureunderdifferentconditionsofloadcombination. Keywords  stationstructure; earthquakeload; responsedisplacement; seismicbehavior  1工程概况近年来地震突发性频率加大,对车站结构的抗“震性要求越来越高,特别是受5·12”汶川地震的影响,对四川地区车站结构的抗震性能研究的重要性不言而喻。地下结构抗震分析采用静力法居多,周军[1]等利用等效静力法原理用等效荷载来替代地震对结构的作用。目前地下结构研究抗震基本采用以有限元为基础的定制分析法[2]。下面以成都地铁 6 号线成都纺专站为工程背景,采用 · ’“”γGEN 有限元软件模拟建模进行抗震分析。成都纺专站为成都地铁 6 号线一、二期工程工点设计的第 8 个车站,车站位于西区大道与泰山大道交叉路口处,车站沿西区大道东西向布置。纺专站为地下二层双跨、局部为二层三跨岛式车站,结构负一层为站厅层、结构负二层为站台层。车站为 12.0m 岛式车站,标准段宽度为 21.1m,车站长度 337.8m,总建筑面积   17495m2。顶板覆土厚度为 3.2m,底板埋深   16.5~18m,基坑开挖范围内的土层主要为杂填土、素填土、粉质黏土、粉土、稍密卵石、中密卵石等土层,具体见图 1。图   1车站标准断面 873铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (增1 )·房建工程· 2地震控制标准及设计参数(1)主体结构按设计使用年限为 100 年的要求进行耐久性设计,结构安全等级为一级,重要性系数取γ0=1.1。(2)地下结构设计分别按施工阶段和正常使用阶段,进行强度、刚度和稳定性计算。对于钢筋混凝土结构,应对使用阶段进行裂缝宽度验算。(3)地下结构裂缝控制等级为三级。钢筋混凝土构件,按荷载效应准永久组合并考虑长期作用影响。本工程车站钢筋混凝土结构的裂缝允许开展宽度迎土面为  0.2mm,背土面为  0.3mm。(4)本工程所在地区抗震设防烈度 7 度,抗震等级为三级,设防分类为乙类,设计基本地震加速度值  0.10g;地震动反应谱特征周期为  0.45s,设计地震分组为第三组。根据地勘报告,本车站场地属于Ⅱ类场地,475 年一遇地震作用下地震动峰值位移 umax为  0.07m,场地地震动峰值位移调整系数Γu=1.0。2475 年一遇地震作用下地震动峰值位移umax为  0.15m,场地地震动峰值位移调整系数Γu=1.0。 3反应位移法抗震原理地下结构抗震不能等同于地上结构[3],地下结构与地面结构在抗震分析时最大的不同就是地下结构要考虑地震引起土体变形对结构作用力的影响[4]。反应位移法以一维土层地震反应为基础进行分析,在地震荷载作用下,结构计算变形与真实条件下变形比较接近,能够较为真实地描述结构与土体之间的相互作用,目前许多发达国家均采用该方法对地下结构进行抗震研究。地震荷载作用下建模时,弄清结构与周边土体相互作用关系是问题的关键[5],周健等[6]认为应在结构周边的土体设置弹性边界。在横向地震荷载作用下,运用反应位移法地铁车站结构进行计算时,结构周边的土体可视为地基弹簧与结构连接,用梁单元代替车站结构进行建模[7],考虑了土层地震反应分析计算得到的结构惯性力、土层相对位移和结构周围剪力三种地震作用。地基弹簧刚度以水平、垂直基础系数为依据,同时分析地下车站结构纵向计算长度与弹簧之间的距离对计算结果的影响,具体模型见图 2。图  2地下车站反应位移法计算模型 4结构静力荷载计算  4.1荷载设计参数本文研究了三种荷载组合下的结构受力状况,在基本组合与地震组合条件下进行结构强度验算,在标准组合下进行裂缝宽度验算,通过计算结果分析最不利工况下哪类为结构受力控制组合。三种荷载组合见表 1。表   1荷载组合系数荷载组合永久荷载可变荷载地震荷载1(基本) 1.35 0.7×1.402(标准) 1.0 1.003(地震) 1.2 0.5×1.2 1.3  土层参数按厚度加权平均的原则确定。明挖主体为二层单柱两跨钢筋混凝土箱形结构,覆土 h1 =3.2m,宽度 b1=21.1m,高度 h2 =13.4m,底板埋深 h3 =16.5m。抗浮水位位于车站顶板上方 h4 =1m。结构顶板厚度 t1 =0.8m,结构中板厚度 t2 =0.4m,结构底板厚度高 t3 =0.9m,侧墙厚度 t4 =0.7m。(1)重度顶板上覆土加权平均重度为:r1  =18.83kN/m3结构所在土层加权平均重度为:r2  =20.88kN/m3(2)静止侧压力系数结构所在土层静止侧压力系数加权平均值为:k0=0.31(3)基床系数结构所在土层水平基床系数加权平均值为:ks  =33.63MPa/m973铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (增1 )·房建工程·(4)底板位于卵石层中,竖向基床系数:kv  =65MPa/m 4.2正常使用阶段荷载标准值地表超载 q1  =20kN/m2,地表超载带来的侧向压力 e21=e22  =6.2kN/m2,中板装修荷载 q2 =0.15×   22=3.3kN/m2;中板设备荷载 q3  =8kN/m2;人群荷载 q4  =4kN/m2;水土压力分最低水位和抗浮设防水位两种工况。  4.2.1最低水位荷载(施工阶段)结构顶部土压力:p1=r1·h1 =18.33×   3.2=60.26kN/m2结构顶、底板侧向土压力:e1=(p1+r2·t12)·k0=( 60.26+ 20.88×0.82)×   0.31=21.27kN/m2e2=e 11+r2·(h2-t2+t12)·k0=  21.27+20.88× 12.5×   0.31=102.18kN/m2 4.2.2抗浮水位荷载(使用阶段)结构顶部水土压力:p2=r1·h1 =18.33×   3.2=60.26kN/m2结构顶、底板侧向土压力:e3=[p2-ρ·h4+(r2-ρ)·t12]·k0=[  60.26-10+( 20.88-10)×0.82]×   0.31=16.93kN/m2e4=e3+(h2-t2+t12)·(r2-ρ)·k0=  16.93+12.5×( 20.88-10)×   0.31=59.29kN/m2式中,ρ为水的密度( kN/m3)。结构顶板侧向水压力:w1=(h4+t12)·ρ=( 1+0.4)×   10=14kN/m2结构底板侧向水压力:w2=w1+(h2-t2+t12)·ρ    =14+124=139kN/m2结构底板水浮力:w3=ρ·(h4+h2) =10×( 1+13.4)  =144kN/m2 5结构地震荷载计算采用反应位移法进行地下结构地震反应计算时,考虑地层相对位移、土层剪力、结构惯性力。(1)土层弹簧节点相对位移计算地震作用下土层沿深度方向的水平位移为:′U(z)=U(z)-U(zb)=12umax(cosπ·z2H-cosπ·zb2H)式中,z 为土层深度(m);H 为地表至设计地震作用基准面的距离(m);zb 为结构底板形心至地表距离(m);umax为场地地表最大位移(m);U(z)为地震时深度 z 处土层的水平位移(m);U(zb)为地震时深度zb 处土层的水平位移(m)。对覆盖土层厚度小于  70m 的场地,设计地震作用基准面到结构的距离不应小于结构有效高度的 2倍,本站取 H  =44.66m。根据文献[8]中计算研究表明:在水平地震荷载的作用下,地铁内部结构内力值均较无地震荷载情况下有所提高,故水平地震荷载对结构的影响不可忽略。水平地震荷载值主要通过在模型中对地层弹簧非结构连接端的节点强制施加水平位移来实现,高峰等[9]认为模拟土体与结构作用的粘 -弹性边界条件精度较高。计算所得各弹簧节点相对位移见表 2。(2)土层剪切力计算土层位移通过反应谱法所得,对土层位移运用微分计算获取土层应变,再根据物理关系获取土层剪力。可假设地震摩擦力沿深度变化为正弦函数,从而得地震摩擦力公式:τ=Gd·π4H·umax·sin(π·z2H)式中,Gd为动剪切变形系数。车站结构顶板处的土层剪切力标准值:τu  =22.3kN/m  车站结构底板处的土层剪切力标准值:τB  =100kN/m  车站结构侧墙处土层剪切力标准值:τB=(τu+τB)   /2=61.15kN/m  (3)结构惯性力计算对模型施加水平地震峰值加速度来模拟惯性083铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (增1 )·房建工程·力,程序可自动分配施加在模型节点处力的大小。(4)主体结构荷载模型与计算结果取各构件中心线绘制各工况下的计算简图,荷载简图如图 3 所示。表  2地层弹簧节点相对位移m基准面深度 H深度 Z475 年一遇地震作用效应位移 U(z)475 年一遇地震作用效应相对位移 2475 年一遇地震作用效应位移 U(z) 2475 年一遇地震作用效应相对位移顶板44.663.60 0.03472 0.00522 0.07440 0.01119右侧墙44.665.45 0.03436 0.00486 0.07363 0.0104244.667.30 0.03385 0.00436 0.07254 0.0093344.669.15 0.03320 0.003710.07115 0.0079444.66  11.15 0.03234 0.00284 0.06930 0.0061044.6613.16 0.03132 0.00182  0.06711 0.0039144.66 15.16 0.03014 0.00065 0.06459 0.00138中板44.669.15 0.03320 0.003710.07115 0.00794底板44.6616.16 0.02950 0.00000 0.06321 0.00000左侧墙44.663.60 0.03472 0.00522 0.07440 0.0111944.665.45 0.03436 0.00486 0.07363 0.0104244.667.30 0.03385 0.00436 0.07254 0.0093344.669.15 0.03320 0.003710.07115 0.0079444.66  11.15 0.03234 0.00284 0.06930 0.0061044.6613.16 0.03132 0.00182  0.06711 0.0039144.66 15.16 0.03014 0.00065 0.06459 0.00138图  3主体结构荷载简图   文献[10]研究表明:在荷载作用下结构在柱子端部、边墙支座节点处更容易发生破坏。本文只对车站结构各支座节点处的弯矩值进行分析研究,分别对地震工况、非地震工况下配筋统计见表 3。根据所得结果可知:仅右侧墙上支座、顶板右支座、顶板中支座由地震荷载工况控制,其余节点均为裂缝工况控制。实际配筋率能够保证承载能力及正常使用状态满足规范要求。本站按三级框架183铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (增1 )·房建工程·表  3结构配筋序号结构尺寸/mm内力地震工况包络值非地震工况包络值抗震计算配筋率/%静力计算配筋率/%实际配筋实际配筋率/%1顶板左支座 800M/(kN·m)404.0573.3V/kN418.1 495.60.30 0.51对 28@150+筑28@150 1.032顶板中支座 800M/(kN·m)1198.11154.3V/kN564.5609.60.690.65对 28@150+筑28@150 1.033顶板右支座 800M/(kN·m)573.3527.5V/kN284.0252.4 0.510.50对 28@150+筑28@150 1.034左侧墙上支座 700M/(kN·m)404.0573.3V/kN223.6284.00.380.7对 28@150+筑28@150 1.175右侧墙上支座 700M/(kN·m)573.3527.5V/kN284.0252.40.70.68对 28@150+筑28@150 1.176左侧墙下支座 700M/(kN·m)  1061 1248.3V/kN   111.9899.90.710.83对 28@150+筑28@150 1.177右侧墙下支座 700M/(kN·m)1168 1248.3V/kN738.1899.90.730.83对 28@150+筑28@150 1.178底板左支座 900M/(kN·m)  1061 1248.3V/kN712.0856.20.480.6对 28@150+筑28@1500.919底板中支座 900M/(kN·m) 1430 821.9V/kN 765.0889.50.490.6对 28@150+筑28@1500.9110底板右支座 900M/(kN·m)1168 1248.3V/kN782.1856.20.500.6对 28@150+筑28@1500.91控制中柱轴压比,设防地震作用下本站中柱轴压比(柱子截面尺寸:  800mm×  1200mm)计算值为:Uc=N/(fc·“)= 13880(23.1×1.2 ×0.8 × 1000)=0.63式中,N 为柱子轴力(kN);fc为 C50 混凝土抗压强度( kN/m2);程 为柱子截面面积(m2)。三级框架轴压比控制值[Uc]可取值为 0.85,本站柱构件满足规范要求。经计算表明:在罕遇地震工况下,层间水平位移最大为   0.0112mm,结构最大层间位移角为 1/496小于规范值[ 1/250],可以判定在罕遇地震作用下,地下车站结构仍处于弹性工作状态,地震荷载对地下车站结构作用较小。 6结论计算分析表明,由于结构周边土体的约束作用,地震力对地下结构的影响较小,地震工况仅在局部支座处控制作用,其余各构件的结构配筋及尺寸均由裂缝控制,仅需按抗震设防要求进行构造措施处理。通常情况下可在顶、底板与侧墙共用支座处设置腋角,这样可以使支座处节点的横截面积加大,能够使结构更好地承受剪切力的作用,继而提高结构的抗震性能。当然目前关于地下结构抗震的研究还有很多地方需要考虑:软弱围岩地质条件下的结构抗震研究较少,我国地质环境复杂,对于软土层地质条件下的地下车站结构抗震应深入研究[11];本文只研究了反应位移法计算结构抗震效应,用不同的方法研究抗震,所得内力结果也不同[12],应选用不同的计算方法综合分析结构在地震荷载作用下的内力值。参考文献[1] 周军,刘昕铭.地铁车站抗震设计分析[J].四川建筑,2014(1):  117-120.[2] 严松宏,高峰,高波.地下结构抗震动力可靠度分析[J].铁道学报,2004(5): 96-100.[3] 丁晓敏,张季超,朱超,等.基于 · ’“”Ⅱ 的地下结构抗震设计分析[J].建筑结构,2010(收车): 21-24.[4] 蔡建,周靖,禹奇才.建筑抗震设计理论研究进展[J].广州大学学报,2005(1): 65-74.[5] 于翔,陈启亮,赵跃堂,等.地下结构抗震研究方法及现状[J].解放军理工大学学报,2000(5): 63-69.[6] 周健,苏燕,董鹏.软土地层地铁及地下构筑物抗震动力分析研究现状[J].地下空间,2003(2): 173-178.[7] 戚洪伟.反应位移法在地铁抗震计算中的应用[J].铁道建筑技术,2012(收车): 100-102.283铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (增1 )·房建工程·[8] 田雪娟.地铁车站抗震分析[J].铁道建筑技术,2012(6): 67-73.[9] 高峰,关宝树.隧道地震反应分析中几种边界条件的比较[J].甘肃科学学报,2004(1): 109-112.[10]何明华.西安软土地区地铁的抗震反应分析[J].铁道建筑技术,2010(6): 45-48.[11]陈庆,项宗方.地下结构抗震研究现状综述[J].四川建筑科学研究,2011(6): 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(上接第 329 页)培训,用全新的思想观念来统一全体参建人员的思想认识,使大家认识到湿软地基采用建筑级配垃圾填筑的控制要点,不能凭老经验、老方法办事,而必须把新标准全面贯彻到施工的每一个环节;加强路基基底地质复核和填料鉴定工作[12]。(3)施工现场设置施工围栏隔离措施和醒目警告标志,确保行人车辆与施工互不干扰,保证施工和交通畅通。(4)建立定期安全检查制度。对查出的隐患应及时整改,做到定人、定时间、定措施。(5)压路机在路堤上部压实时,严禁横向碾压;车辆在路堤上部行驶,严禁太靠边。 8环保措施(1)建筑垃圾加工过程中必须适量洒水,防止扬尘污染环境。(2)建筑垃圾运输车辆应容貌整洁、外观完整、标志齐全。(3)路基坡脚外设临时排水设施,并确保原有水利水系、水网设施排灌畅通。不向农田河道弃土,不将污水、油污排放河道污染水源。(4)结合雨季施工措施,对路基施工要搞好雨季防洪工作,防止山体滑坡,防止路基边坡冲刷。 9结束语级配建筑垃圾回填路基的方法不仅在技术上是可行的,也为城市建筑垃圾排放量的降低及环境污染的降低做出了巨大贡献,并为道路工程节约了成本,在经济效益及社会效益上也有着重大的意义。为更好地发挥级配建筑垃圾回填路基施工方法的优势[13],在今后推广及应用须注意以下几方面:(1)通过对级配建筑垃圾的应用,结合相关路基设计、施工技术规范,级配建筑垃圾需满足级配、力学指标及稳定性要求。(2)针对级配建筑垃圾粗、细集料比例不稳定,级配差等特点,建议采用专业加工厂提供的成品,对颗粒进行破碎、筛分,均匀性满足工程要求的建筑垃圾。(3)综合考虑级配建筑垃圾回填路基的特点,建议采用沉降量观测法对路基压实度进行检测。(4)建筑垃圾路基因其特殊性,要采取严格的排水措施,以防路面的雨水以及坡脚积水浸入路床,浸泡、软化基础致其整体沉降。参考文献[1] 陕西西咸文化旅游产业集团有限公司.西咸国际文化教育园区城市设计初步成果、路网资料、道路竖向规划报告[R].西安:陕西西咸文化旅游产业集团有限公司,2014:1.[2] 谷天峰,王家鼎.GIS 在咸阳城市土地工程能力评价中的应用[J].西北大学学报:自然科学版,2004(4): 99-103.[3] 徐宝龙.建筑垃圾土性能及其作为路基填料的施工[J].中国市政工程,2011(2): 71-73.[4] 张震.某运煤铁路专用线路基施工方案研究[J].铁道工程学报,2013(7): 24-29.[5] 牛永宏,郭腾腾,王鑫.建筑垃圾回填路基施工技术研究[J].筑路机械与施工机械化,2014(9): 66-69.[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部   .CJJ1-2008城镇道路工程施工与质量验收规范[收].北京:中国建筑工业出版社,2008:21.[7] 陈福东.城市道路路基填筑中建筑垃圾的处理[J].筑路机械与施工机械化,2008(9): 84-86.[8] 李永清.红砂岩的特性及其施工[J].西部探矿工程,2003(3): 44-45.[9] 陈美娜,曾宪成.填石路堤不同压实机械和技术的对比分析[J].科技资讯,2011(25):106.[10]张韬,刘莉萍.软土道路路基填筑中建筑垃圾的处理技术[J].中国建材科技,2014(收车):16.[11]仇金庭.高速铁路路基病害成因分析[J].铁道建筑技术,2014(1): 27-30.[12]陈鹏.对高速铁路路基施工的几点认识[J].铁道建筑技术,1999(6): 3-4.[13]盛雅雯.建筑垃圾在道路建设及养护中的再利用[J].养护与管理,2014(12): 33-35.383铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (增1 )
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