1 工程概况

1.1 项目概况

　　 图1 赣州西站建筑效果图   

　　  

　　 赣州西站整体形象为舒展的腾飞之翼,展现了赣州生机勃勃的城市精神风貌,建筑效果见图1。主站房为线上式高架站房,采用“桥建合一”的结构形式。车站总建筑面积91 572.6m²,其中站房建筑面积49 864.7m²,站台雨棚面积11 943m²。站房建筑共4层,分别为地下出站层、广场地面层、站台层和高架层,结构体系见表1。站房最大平面尺寸为234m(平行铁轨方向)×154m(垂直铁轨方向),顺轨方向柱距为13.8,14,26m等,垂轨方向柱距为10,11.8,21.5m等。站房平面分区见图2。

　　 图2 赣州西站平面分区图   

　　  

1.2 超限内容判别

　　 赣州西站主体结构檐口高度为36m,属于高层建筑。根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号),其不规则内容如表2所示,属于超限高层结构。

　　 图3 赣州西站平面及立面示意图   

　　  

　　 赣州西站结构体系 表1

楼层	结构体系
承轨层	型钢混凝土柱+型钢混凝土梁+现浇混凝土楼板
候车层	钢管混凝土柱+钢骨混凝土框架梁+现浇混凝土楼板
商业夹层	钢管混凝土柱+钢桁架+钢筋桁架楼承板
屋盖	空间钢网格

 

　　  

　　 赣州西站不规则内容 表2

不规则类型		简要含义
平面不规则	扭转不规则	考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2
	凹凸不规则	平面凹凸尺寸大于相应边长30%
	楼板不连续	有效宽度小于50%,开洞面积 大于30%,错层大于梁高
立面不规则	构件间断	上下层框架柱不连续,局部夹层

 

　　  

1.3 抗震性能目标

　　 根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) ^[1],并参考《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)第3.11节以及《建筑结构抗倒塌设计规范》(CECS 392∶2014)第5.4节确定结构抗震性能目标,如表3所示。多遇地震和设防地震下赣州西站结构抗震性能满足预期性能目标,本文重点分析其罕遇地震下结构性能。

1.4 主要分析方法

　　 在结构弹塑性分析过程中,考虑以下非线性因素。1)几何非线性:结构平衡方程建立在结构变形后的几何状态上,对单元进行细分,“P-Δ”效应、非线性屈曲效应、大变形效应等得到全面考虑; 2)材料非线性:直接采用材料非线性应力-应变本构关系模拟钢筋、钢材及混凝土的弹塑性特性,可以有效模拟构件的弹塑性发生、发展及破坏全过程; 3)施工过程非线性 ^[2]:工程为大跨屋盖钢骨混凝土结构,分析中考虑了预应力的影响,底部塔楼先施工、屋盖后施工,最后施加楼面荷载。结合“单元生死”的技术按照施工顺序将结构构件逐步激活,可以描述真实施工顺序情况下结构的内力和变形 ^[3],并作为后续动力弹塑性分析的初始状态。

　　 结构抗震性能目标 表3

地震烈度		多遇地震	设防地震	罕遇地震
宏观损坏程度		无损坏	轻度损坏	中度损坏
层间位移角限值		下部框架:1/550; 钢屋盖:1/300	下部框架:1/250; 钢屋盖:1/200	下部框架:1/110; 钢屋盖:1/50
关键 构件	型钢混凝土框架柱、支承钢屋盖的钢管柱、钢管混凝土柱以及分叉柱	弹性	正截面不屈服、抗剪弹性	混凝土受压损伤因子及钢材塑性应变比小于轻度损坏限值
普通 竖向 构件	“关键构件”范畴以外的框架柱和梁上柱	弹性	正截面不屈服、抗剪弹性	允许部分混凝土受压损伤因子及钢材塑性应变比小于中度损坏限值
耗能 构件	框架梁、钢 桁架	弹性	正截面屈服、受剪屈服	允许部分混凝土受压损伤因子及钢材塑性应变比小于比较严重破坏限值

 

　　  

　　 图3为赣州西站立面图以及典型平面图,施工阶段定义以及楼层指标统计按图3确定。

2 罕遇地震响应分析及构件性能评价

2.1 结构动力非线性分析

2.1.1 结构模型

　　 利用自主研发的复杂建筑结构非线性分析平台CSEPA ^[4,5,6]将结构YJK计算模型转换为ABAQUS有限元模型,如图4所示。在ABAQUS软件中,利用基于截面纤维模型的方法 ^[7],结构梁柱构件采用B31梁单元模拟,楼板及剪力墙采用缩减积分分层壳单元S3R/S4R模拟。结构YJK模型与ABAQUS模型的总质量和周期如表4所示,前两阶振型对比如图5所示。由图5及表4可知,YJK模型与ABAQUS模型总质量及动力特性基本保持一致。

　　 图4 赣州西站有限元模型  

　　  

　　 图5 结构前两阶振型  

　　  

　　 ABAQUS与YJK质量对比 表4

软件		ABAQUS	YJK	误差
总质量/t		210 497.36	208 495.68	0.960%
周期/s	T1	0.971	1.013	-4.146%
	T2	0.900	0.883	1.925%
	T3	0.881	0.850	3.647%

 

　　  

2.1.2 构件模型及材料本构关系

　　 钢筋的应力-应变曲线采用如图6所示的双折线模型,图中E_s表示钢材的弹性模量,E′表示钢材的应变强化刚度,钢材及钢筋的屈服强度f_y取材料屈服强度标准值,ε_y为材料屈服应变,f_un,ε_un分别为钢材从骨架曲线上开始卸载时的应力和应变, ε_z为钢材卸载至零应力时的残余应变。该模型能够很好地考虑钢材在往复荷载作用下的包辛格效应。

　　 对于梁柱构件混凝土材料,采用根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)附录C自主研发的用户材料子程序 ^[8]。该模型能够考虑混凝土的强度软化、刚度退化、拉压强度差异及拉压循环裂缝闭合呈现的刚度恢复等性质,如图7所示,图中各符号含义见《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)附录C。

　　 图6 钢筋本构模型图   

　　  

　　 图7 混凝土损伤本构模型   

　　  

2.1.3 预应力筋等效荷载

　　 结构在站台层及高架层存在大量预应力梁,动力弹塑性分析时,将预应力筋用普通钢筋建模,并采用等效荷载法将预应力对结构的作用变换为等效的外荷载 ^[9]。预应力在超静定结构中引起的内力是由两部分组成的:一部分是预应力筋的锚固作用于构件端部,产生预加力和预加力矩;另一部分是由于预应力筋的线形改变产生的与构件轴线相垂直的竖向力。等效外荷载同样包括两部分:一项是由预应力筋对构件截面重心轴的偏心产生的主弯矩;另一项是由主弯矩引起的结构变形受到约束产生的约束反力,即次弯矩。

　　 有限元模型中结构高架层预应力筋等效荷载见图8。施工模拟时,预应力筋等效荷载随构件一并激活,在此基础上对结构进行后续动力弹塑性分析。

　　 图8 高架层预应力筋等效荷载   

　　  

2.2 施工模拟分析

　　 在进行罕遇地震分析之前,首先进行施工模拟分析,并将其结果作为地震加载的初始状态。结构的施工过程采用单元激活与杀死来进行模拟。按表5所示的施工模拟加载顺序逐步激活每一个施工步构件,其中赣州西站结构分层如图3(a)所示。

　　 施工模拟加载顺序 表5

序号	施工阶段	序号	施工阶段
1	局部地下室	6	高架层预应力施加
2	地面广场层	7	商业夹层
3	站台层	8	混凝土结构屋面层
4	站台层预应力施加	9	钢屋盖
5	高架层	10	1.0恒载+0.5活载

 

　　  

　　 以站台层施工模拟为例,介绍预应力构件在施工阶段的影响。站台层结构施工完毕后结构最大竖向变形为33.02mm,站台层预应力施加完毕后结构最大竖向变形减小为18.74mm,见图9。这表明等效荷载法能够有效描述预应力构件在施工阶段变形。

　　 图9 施工模拟阶段预应力施加前后结构竖向变形云图/m  

　　  

2.3 时程分析结果

2.3.1 地震波选用

　　 本工程抗震设防类别为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组,Ⅱ类场地。选取1组人工波(RGB1)及2组天然波(TRB1,TRB2)进行分析,每组波分别按X,Y向为主方向两种工况进行计算,各地震波峰值加速度为125cm/s²。

　　 表6给出的时程分析得到的基底剪力与CQC法计算得到的基底剪力的比值,满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) ^[1]的要求。所用地震波对应的平均地震影响系数反应谱如图10所示,满足统计意义上相符 ^[10]。

　　 基底剪力对比 表6

地震波	X向为主方向		Y向为主方向
	基底剪力/kN	比值	基底剪力/kN	比值
RGB1	21 549.93	71.63%	24 475.01	86.26%
TRB1	25 835.88	85.87%	21 214.97	74.77%
TRB2	24 970.03	82.99%	23 508.45	82.85%
平均值	24 685.17	82.05%	24 133.16	85.05%

 

　　 注:比值为地震波作用下基底剪力与相应的CQC法计算结果的比值。

　　  

　　 图10 选取地震波反应谱与规范反应谱对比  

　　  

2.3.2 结构弹塑性响应汇总

　　 在罕遇地震作用下,结构的最大基底剪力、结构顶点峰值位移以及最大弹塑性层间位移角如表7所示。三条地震波双向输入时,各楼层最大层间位移角均小于规范限值1/100,满足抗震性能目标中对大震层间位移角限值的要求。

　　 结构基底剪力及变形汇总 表7

地震波	RGB1		TRB1		TRB2
方向	X向	Y向	X向	Y向	X向	Y向
最大基底剪力/(×105kN)	1.54	2.57	1.82	2.02	1.90	2.08
顶点峰值位移/m	0.104	0.132	0.092	0.119	0.131	0.130
最大弹塑性层间位移角	1/194	1/152	1/152	1/124	1/129	1/155

 

　　  

2.3.3 结构弹塑性响应对比

　　 由于计算结果数据量大,为突出重点,以基底剪力较大的TRB2波弹塑性时程分析结果为例对比结构的弹塑性响应和弹性响应。

　　 图11 TRB2波作用下的层间位移角  

　　  

　　 结构层定义与施工模拟分层(图3(a))信息一致,如图3所示。弹性和弹塑性层间位移角包络曲线(图11,1层对应图3(a)中局部地下室,7层对应图3(a)中钢屋盖)均不存在突变的情况。通过对比可以发现,结构在大震作用受损后,刚度存在退化,弹塑性层间位移角基本大于弹性层间位移角。

　　 图12对比了结构弹塑性与弹性顶部位移时程曲线。从图12中可以看出,弹塑性与弹性顶部位移趋势相同,在开始阶段,结构损伤程度较小,弹塑性与弹性顶部位移差值较小; 随着地震波持续作用,结构进一步受损,两者的顶部位移差值逐渐增大。另外,通过结构顶部位移时程曲线也可以看出,弹塑性响应的振动周期相对弹性响应振动周期更长,这同样反映了结构的刚度退化。

　　 图12 TRB2波作用下的结构顶部位移时程曲线   

　　  

2.4 构件性能判断

　　 分别以结构关键构件、楼层梁、楼板、钢屋盖以及突出立面钢结构为例,结合文献[10]提出的构件损坏程度标准进行构件的抗震性能判断。

2.4.1 关键构件

　　 主框架柱主要指型钢混凝土框架柱、支承钢屋盖的钢管柱和钢管混凝土柱。从主框架柱混凝土受压损伤云图(图13)和主框架柱钢材塑性应变云图(图14)可以看出,结构主框架柱最大受压损因子为0.273,小于0.369(C40混凝土无损坏限值),主框架柱钢材最大塑性应变为0,构件处于弹性状态。此外,分叉柱也没有出现屈服,如图15所示。罕遇地震作用下,结构关键构件处于弹性状态。

2.4.2 楼层梁

　　 楼层梁混凝土最大受压损伤因子为0.878(图16),钢筋最大塑性应变为9.661×10^-3(图17),主要发生在结构楼层梁端,构件耗能明显,满足预期的性能目标。

　　 图13 主框架柱混凝土受压损伤云图   

　　  

　　 图14 主框架柱钢材塑性应变云图   

　　  

　　 图15 分叉柱钢材塑性应变云图   

　　  

　　 图16 楼层梁混凝土受压损伤云图  

　　  

　　 图17 楼层梁钢筋塑性应变云图  

　　  

　　 图18 楼板受压损伤云图  

　　  

2.4.3 楼板

　　 结构站台层楼板出现了小范围的应力集中,该处最大受压损伤因子为0.430 9,小于0.536(轻度损伤限值),站台层楼板基本处于轻度损伤范围(图18(a)); 高架层U形洞口两侧的楼板比其余部分楼板受压损伤程度较深,最大受压损伤因子为0.534 4,小于0.536(轻度损伤限值),其余楼板处于轻微损伤范围内(图18(b)); 商业夹层楼板“细腰”部位为薄弱部位,该处最大受压损伤因子为0.679 5,大于0.677(中度损伤限值),应采取加强措施(图18(c))。

　　 整体上看,大震下结构楼板完整性较好,大部分处于轻度损伤范围内,仅高架层及商业夹层局部交接板带处需要采取加强措施进行处理。

2.4.4 钢屋盖

　　 以屋盖上弦杆为例对屋盖构件进行抗震性能评价,从屋盖上弦杆塑性应变云图(图19)可以看出,仅少部分构件屈服,其中屋盖上弦最大塑性应变为3.847×10^-3,塑性应变比为3.3,小于3.5(轻度损坏限值)。罕遇地震作用下,结构屋盖绝大部分构件处于弹性状态,个别构件屈服,屋盖整体性好,满足预期性能目标。

2.4.5 正立面突出钢结构

　　 从正立面突出钢结构塑性应变云图(图20)可以看出,罕遇地震作用下,正立面突出钢结构网格筒柱塑性应变均为0,构件处于弹性状态,网格筒少部分斜撑屈服,最大塑性应变为6.079×10^-4,塑性应变比为0.55,小于2(轻微损坏限值); 正立面突出钢结构大跨钢桁架仅在跨中的3根斜腹杆进入屈服,最大塑性应变为7.907×10^-4,塑性应变比为0.71,小于2(轻微损坏限值); 其余构件最大塑性应变为5.267×10^-3,塑性应变比为4.70,小于8(中度损坏限值),主要发生在与混凝土框架相连的个别钢梁梁端。

　　 图19 屋盖上弦杆塑性应变云图  

　　  

　　 图20 正立面突出钢结构塑性应变云图  

　　  

2.5 关键节点分析

2.5.1 节点分析模型

　　 选取结构受力较大的站房分叉柱节点进行精细有限元分析,如图21所示。节点域钢材牌号Q345,采用双折线弹塑性本构模型。

　　 图21 分叉柱节点位置及有限元模型  

　　  

　　 有限元分析时,截取3倍柱直径范围内的柱体作为隔离体,并在柱底施加固定约束,节点有限元网格模型如图21所示,单元类型为C3D10单元。从整体结构模型中提取关键节点最不利工况内力,将其等效为均布压力荷载,施加在杆件与柱节点耳板的孔壁。

2.5.2 分叉柱节点分析结果

　　 图22为罕遇地震作用下,最大承压工况下的分叉柱节点有限元分析结果。从图22可以看出,节点最大位移为0.560mm,发生在节点顶部; 节点最大von Mises应力为195.0MPa,节点没有出现屈服区域,塑性应变为0,处于弹性状态。

　　 图22 罕遇地震作用下分叉柱节点分析结果  

　　  

3 结论

　　 (1)在施工阶段采用等效荷载法能够有效反映预应力施加引起的变形差,从而准确反映预应力构件的抗震性能。根据CSEPA软件提取的结构整体内力和变形结果,可以判断赣州西站主体结构能够满足预期的整体性能目标。

　　 (2)根据文献[10]提出的构件性能判断方法可以得出,罕遇地震下关键构件和钢屋盖构件性能均满足预期性能目标。

　　 (3)对结构楼板进行了损伤分析,确定了楼板薄弱部分,并提出了相应的加强措施。

　　 (4)在罕遇地震作用下,分叉柱关键节点处于弹性,满足性能要求。