獨柱式大懸臂高架車站的動力特性及地震反應分析摘要：利用三維空間有限元法對國內第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)反應譜理論分析了該車站的抗震能力。結果表明，獨柱式大懸臂車站的下部結構對車站整體結構的動力特性影響較大，地震反應值均小于結構靜力控制值。關鍵詞：軌道交通；高架車站；動力特性；地震反應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。外高橋車站主體結構為獨柱大懸臂預應力蓋梁簡支梁結構,分站臺層和站廳層。站臺層軌道梁跨度采用12.5、30.0m預應力混凝土簡支梁。車站全長80m，橫向寬度21.5m。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造特點影響，軌道梁采用孔跨為12.5m+12.5m+30.0m+12.5m+12.5m預應力混凝土槽形梁。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。車站下部結構的選型采用獨柱大懸臂預應力混凝土結構。站臺層1、6號墩基礎與區(qū)間邊墩合建；站臺層3、4號墩與站廳層1、4號墩基礎合建；站廳層2、3號墩基礎合建；站廳層2、3號墩設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，故兩側懸臂長相差60cm。根據(jù)基礎受力、變位及下部結構整體剛度等方面的計算控制要求及平面布置特點，車站基礎均采用φ100cm鉆孔灌注樁，樁長60m。2計算分析模型2.1結構計算分析模型 結構計算模型是動力特性及地震反應分析的關鍵，應盡量與實際結構相符。為了能真實的反映外高橋車站的實際結構，采用空間有限元法對該車站主體結構進行結構分析。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，下部結構蓋梁、墩柱采用桿單元離散。對整個車站結構離散后，單元共364個，節(jié)點總數(shù)為382個。車站結構計算模型見圖3。在結構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。車站縱梁為簡支結構，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球形固定鉸支座，另一端設球形滑動支座外，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) 軌道及其他附屬結構。未計軌道對該車站結構剛度的影響，但在形成質量距陣時計入了軌道及其他附屬結構質量的影響。計算時將軌道及其他附屬結構（電梯、扶梯、風雨棚、電力電纜、通信、信號設備、欄板、承軌臺、人行天橋等）的質量計算至各縱梁的支座處。2.2地震反應分析模型 車站地震反應分析模型與車站結構計算模型相同。車站的地震反應分析按現(xiàn)行的《鐵路工程抗震設計規(guī)范》（GBJ111-87）中的反應譜分析法進行分析。該地區(qū)地震基本烈度6度，按7度設防，場地土為Ⅳ類土，計算分析時還應作如下考慮。 (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度設防。人工地震波的計算參照現(xiàn)行抗震設計規(guī)范的反應譜進行，可得規(guī)范化的人工地震波。 (3) 參照現(xiàn)行抗震設計規(guī)范，按7度設防取水平地震動的最大加速度峰值為0.1g。 (4)車站結構的阻尼系數(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。基礎為樁基，承臺底地基約束按轉動彈簧模擬，轉動彈簧系數(shù)根據(jù)土層的性質、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的振型特征。表1為外高橋車站前10階自振頻率的計算結果及相應振型特征，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。對應于車站結構以橫向撓曲為主的第1階振型，相應頻率為1.518Hz；對應于車站結構以縱向撓曲為主的第2階振型，相應頻率為1.625Hz；對應于車站結構以縱向扭曲為主的第３階振型，相應頻率為1.625Hz。以后7階均為車站結構的局部橫向撓曲、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構獨柱大懸臂的影響，車站整體橫向剛度弱于其整體縱向剛度和抗扭剛度。3.2地震反應分析 鐵路抗震設計規(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。考慮到外高橋車站結構的復雜性以及該車站前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。地震力的計算結果見表2、表3。 計算結果表明，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。此時雖然合建的墩柱和基礎的地震反應較大，但因構造上的要求墩底尺寸和基礎也很大，強度亦能滿足要求。豎向地震時，由于該車站下部結構的預應力混凝土蓋梁懸臂很大，蓋梁根部地震反應大，應予充分重視。 經(jīng)檢算，地震反應值均小于結構靜力控制值，不控制該車站下部結構的設計，車站的設計由正常使用條件控制。但為了提高該車站結構的延性，在局部構造形式和細部構造措施上應采取有效方法。4結束語 外高橋車站由于其下部結構是獨柱大懸臂蓋梁結構，對車站整體結構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構，車站橫向自振周期達0.659s（橫向自振頻率1.518Hz），結構較柔，這使得地震波效應對該車站的地震反應的影響較小，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。車站結構太柔，整體剛度太小也不利于車站的正常使用。高架車站整體結構對行人舒適度影響的評價，目前國內外尚無統(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. 結構有限元分析. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，19882C F Beards. Structural VibrationAnalysis. Ellis Horwood Seriesin Engineering Science.1983
根據(jù)該車站布局及其它構造特點影響，軌道梁采用孔跨為12.5m+12.5m+30.0m+12.5m+12.5m預應力混凝土槽形梁。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。車站下部結構的選型采用獨柱大懸臂預應力混凝土結構。站臺層1、6號墩基礎與區(qū)間邊墩合建；站臺層3、4號墩與站廳層1、4號墩基礎合建；站廳層2、3號墩基礎合建；站廳層2、3號墩設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，故兩側懸臂長相差60cm。根據(jù)基礎受力、變位及下部結構整體剛度等方面的計算控制要求及平面布置特點，車站基礎均采用φ100cm鉆孔灌注樁，樁長60m。2計算分析模型2.1結構計算分析模型 結構計算模型是動力特性及地震反應分析的關鍵，應盡量與實際結構相符。為了能真實的反映外高橋車站的實際結構，采用空間有限元法對該車站主體結構進行結構分析。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，下部結構蓋梁、墩柱采用桿單元離散。對整個車站結構離散后，單元共364個，節(jié)點總數(shù)為382個。車站結構計算模型見圖3。在結構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。車站縱梁為簡支結構，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球形固定鉸支座，另一端設球形滑動支座外，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) 軌道及其他附屬結構。未計軌道對該車站結構剛度的影響，但在形成質量距陣時計入了軌道及其他附屬結構質量的影響。計算時將軌道及其他附屬結構（電梯、扶梯、風雨棚、電力電纜、通信、信號設備、欄板、承軌臺、人行天橋等）的質量計算至各縱梁的支座處。2.2地震反應分析模型 車站地震反應分析模型與車站結構計算模型相同。車站的地震反應分析按現(xiàn)行的《鐵路工程抗震設計規(guī)范》（GBJ111-87）中的反應譜分析法進行分析。該地區(qū)地震基本烈度6度，按7度設防，場地土為Ⅳ類土，計算分析時還應作如下考慮。 (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度設防。人工地震波的計算參照現(xiàn)行抗震設計規(guī)范的反應譜進行，可得規(guī)范化的人工地震波。 (3) 參照現(xiàn)行抗震設計規(guī)范，按7度設防取水平地震動的最大加速度峰值為0.1g。 (4)車站結構的阻尼系數(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。基礎為樁基，承臺底地基約束按轉動彈簧模擬，轉動彈簧系數(shù)根據(jù)土層的性質、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的振型特征。表1為外高橋車站前10階自振頻率的計算結果及相應振型特征，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。對應于車站結構以橫向撓曲為主的第1階振型，相應頻率為1.518Hz；對應于車站結構以縱向撓曲為主的第2階振型，相應頻率為1.625Hz；對應于車站結構以縱向扭曲為主的第３階振型，相應頻率為1.625Hz。以后7階均為車站結構的局部橫向撓曲、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構獨柱大懸臂的影響，車站整體橫向剛度弱于其整體縱向剛度和抗扭剛度。3.2地震反應分析 鐵路抗震設計規(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。考慮到外高橋車站結構的復雜性以及該車站前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。地震力的計算結果見表2、表3。 計算結果表明，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。此時雖然合建的墩柱和基礎的地震反應較大，但因構造上的要求墩底尺寸和基礎也很大，強度亦能滿足要求。豎向地震時，由于該車站下部結構的預應力混凝土蓋梁懸臂很大，蓋梁根部地震反應大，應予充分重視。 經(jīng)檢算，地震反應值均小于結構靜力控制值，不控制該車站下部結構的設計，車站的設計由正常使用條件控制。但為了提高該車站結構的延性，在局部構造形式和細部構造措施上應采取有效方法。4結束語 外高橋車站由于其下部結構是獨柱大懸臂蓋梁結構，對車站整體結構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構，車站橫向自振周期達0.659s（橫向自振頻率1.518Hz），結構較柔，這使得地震波效應對該車站的地震反應的影響較小，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。車站結構太柔，整體剛度太小也不利于車站的正常使用。高架車站整體結構對行人舒適度影響的評價，目前國內外尚無統(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. 結構有限元分析. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，19882C F Beards. Structural VibrationAnalysis. Ellis Horwood Seriesin Engineering Science.1983 
