軌道交通共構工程鋼–混凝土組合結構體系抗震性能分析

王春森 李瑞嵩 邢 民 莊亮東 聶 鑫 鄒 巖

軌道交通共構工程鋼–混凝土組合結構體系抗震性能分析

王春森1李瑞嵩2邢 民1莊亮東2聶 鑫2鄒 巖1

(1. 廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510000；2. 清華大學土木工程系，北京 100084)

隨著城市軌道交通的發展和地上地下空間一體化概念的深化，軌道交通共構工程已經成為以公共交通為導向的開發模式的新方向。依托東莞市西平站工程，針對大跨樓蓋和轉換梁區域設計了組合結構方案，降低梁高28%～33%，降低自重49%～66%，節省造價7%～36%。利用盈建科和MIDAS Gen建立型鋼混凝土結構和組合結構整體模型，開展了不同地震作用下兩種結構的抗震性能分析。二者的自振特性接近，罕遇地震下組合結構的層間位移角更小，抗震性能更優。值得注意的是，轉換梁區域彎扭耦合效應顯著，扭矩達2 719.4 kN·m；大跨交叉節點鋼結構應力水平較高，達207 MPa。

鋼–混凝土組合結構；共構工程；反應位移法；時程分析；抗震性能

0 引 言

共構工程的抗震分析研究起源于高層建筑抗震分析中對于地下室的處理[1-3]。在國內，為了避免占用道路過寬，便于敷設管道和交通組織，近年來對于地鐵車站結構，與立交橋合建不再鮮見[4-6]。有關建設單位和政府部門也在嘗試改變地下室使用用途，探索民用建筑與地鐵設施合建的可能性[7-9]。

鋼–混凝土組合結構通過連接件將鋼材與混凝土組合在一起，充分發揮了各自的材料性能[10-11]，抗震性能也極其優越，在我國新建設的高層及超高層建筑中應用廣泛。近年來，組合結構也開始應用于軌道交通的共構工程當中，例如深圳崗廈北站的站橋合建結構橋墩轉換梁采用組合鋼箱梁[12]，徐州南三環站的站隧合建結構采用單向剛–混凝土組合樓蓋等[13]，均有效縮小了截面尺寸，降低了結構質量，加快了施工速度。因此，組合結構在共構工程中前景廣闊，然而目前鋼–混凝土組合結構體系與共構工程相結合的應用還有待系統研究。

依托東莞市國際商務區地鐵6號線與8號線節點西平站地上、地下空間共構工程，重點關注其中的大跨交叉節點區域和站廳層轉換結構，提出鋼–混凝土組合結構方案，與原型鋼混凝土方案進行對比，從結構質量、構件尺寸、受力性能、施工便捷等方面分析鋼–混凝土組合結構方案的優勢。并建立西平站地上、地下空間的整體模型，研究整體結構在典型荷載工況下的抗震性能，重點關注關鍵構件在地震作用下的受力狀態，為鋼–混凝土組合結構在類似地上、地下空間共構車站的應用提供參考。

1 工程概況

東莞市國際商務區地鐵6號線與8號線節點西平站是國內罕見的集大跨無柱換乘節點、地上地下轉換結構于一體的軌道交通車站。圖1、圖2分別為西平站局部平面和車站結構橫斷面示意。車站范圍內上方部分為市政道路，附近有人行天橋支撐柱下落，裙樓部分首層柱直接落在轉換結構上，需要承受上部7層裙樓的荷載。為滿足客流換乘需求，擬抽去大跨交叉節點區域和裙樓區域的部分結構柱，形成跨度達30 m的雙圓環大跨無柱空間和跨度24 m的地上地下轉換結構。

2 結構方案

東莞市西平站6號線部分為地下二層島式站臺車站，8號線部分為地下3層車站，站臺寬度為15 m，車站結構凈寬度為22.3 m，采用雙柱三跨箱型框架結構。

2.1 大跨交叉節點區域

原方案中換乘節點（即大跨交叉節點區域，下同）采用發散式布置變截面型鋼混凝土方案，如圖3所示。放射性主梁在中圓環根部高3.0 m，向內外圓環延伸時梁高逐漸減小至1.8 m，中圓環內外側分別采用厚度0.5 m、0.8 m的混凝土大板。頂板均采用強度等級C35的混凝土。換乘節點柱間縱梁與兩側結構柱剛接。

圖1 西平站局部平面 mm

圖2 西平站結構橫斷面示意 mm

圖3 換乘節點型鋼混凝土方案示意

新方案中頂板采用鋼–混凝土組合樓蓋的結構形式，如圖4所示。其中，內環梁采用箱形鋼–混凝土組合梁（編號HL1，HL2）；外環與內環間及內環徑向主梁采用變截面工字梁（ZL1、ZL2）；次梁采用工字鋼梁。主梁、環梁均與柱兩端剛接，次梁與柱兩端鉸接。樓板采用強度等級C35的混凝土，板厚400 mm。橫梁和縱梁截面設計結果如圖5和表1所示。

圖4 換乘節點組合結構方案示意

tf—型鋼上翼緣寬度；tf—型鋼上翼緣厚度；w—型鋼腹板厚度；bf—型鋼下翼緣寬度；bf—型鋼下翼緣厚度；s—型鋼高度；c—混凝土板厚度。

圖5 換乘節點組合結構方案梁截面示意

Fig.5 Section diagrams of beams in composite structure scheme for the transfer node

與原變截面型鋼混凝土方案相比，采用組合結構樓蓋能夠顯著減輕結構質量、節約建筑空間，經濟效益顯著。同時，由于充分發揮了鋼材受力性能，用鋼量有所減少的同時無需鋼筋綁扎，簡化了構造和施工。兩方案主要指標對比列于表1中，由表1可知，相比于型鋼混凝土方案，組合結構方案支座處梁高降低33%，跨中處梁高降低28%，總造價降低36%。

表1 換乘節點方案對比

2.2 轉換梁區域

考慮到結構不僅僅需要承載較大荷載，且轉換梁區域梁體大部分埋置于土中，結合當地水文地質條件，對鋼結構耐久性提出了較高要求，原方案中地上地下轉換結構區域為型鋼混凝土方案，梁高3.3 m，寬1.4 m，跨度24 m。樓板厚800 mm，采用強度等級C35的混凝土。

新方案中轉換梁采用變截面箱型鋼–混凝土組合轉換梁的結構形式，如圖6所示。梁跨度24 m，采用Q420級箱型鋼梁，梁高3.3 m，寬1.4 m。正、負彎矩區均設計為閉口截面，并加對拉加勁肋以防止局部失穩；負彎矩區在箱梁內部填充混凝土以提高梁端抗剪承載力，正彎矩區則只在頂部澆筑混凝土以減輕結構質量；鋼梁可作為混凝土澆筑的模板。樓板采用強度等級C35的混凝土，板厚800 mm，負彎矩區段布置抗拔不抗剪栓釘以控制裂縫的開展。

圖6 組合結構方案轉換梁截面示意

與原方案相比，采用變截面箱型組合轉換梁能夠顯著減輕結構質量、節約建筑空間，經濟效益顯著。同時，混凝土用量更少，減少濕作業，而且對于結構質量降低效果顯著，有利于改善結構的抗震性能。兩種方案主要指標對比列于表2中，可知組合結構方案降低質量49%，每米造價降低7%。

表2 轉換梁方案對比

3 計算與分析

3.1 建立計算模型

采用盈建科及MIDAS Gen軟件建立共構工程結構三維計算模型，計算結果取二者包絡。由于裙樓按照抗震縫分為東西兩部分，西平站主體結構位于西裙樓西側部分下方，與兩側混凝土梁鉸接，因此在計算共構工程結構的地震作用時，可近似忽略其他部分結構的影響，僅計算西裙樓綠軸西側部分與車站主體結構的受力狀況和地震響應，如圖7所示。

圖7 計算模型

型鋼混凝土和組合結構方案的結構柱、梁均采用梁單元建模；樓蓋混凝土板和側墻采用板單元建模。此外，設置截面偏心模擬實際構件的相對位置關系，例如轉換梁上翻導致地下一層樓板位于轉換梁腹板；組合結構方案在交叉節點處次梁兩端釋放約束，模擬鉸接的邊界條件；側墻及底板根據土層性質設置等效彈簧。在荷載條件上，交叉節點區域使用階段恒荷載標準值取52 kPa，使用階段活荷載（標準值）取20 kPa，此外還有地上人行天橋的集中荷載，轉換梁區域荷載取值從共構工程盈建科模型中提取。結構重要性系數取1.1，基本荷載組合下恒荷載分項系數為1.3，活荷載分項系數為1.5。

3.2 計算結果分析

3.2.1 結構振型分析

分別對型鋼混凝土方案和組合結構方案進行振型分析，共計算64階振型使得方向平動振型參與質量均達到90%，盈建科及MIDAS Gen的結果幾乎相同，僅取盈建科結果作為代表，前3階振型對比如圖8所示。

兩種方案在自振周期上相差無幾，其他參數近乎一致，這是因為結構整體的自振特性受上部結構影響更大，下部結構形式改變的影響微乎其微。結構的前幾階振型主要以平面內的平動和扭轉為主，當周期階數超過3階之后，結構的自振周期變化明顯變小，結構的振型出現局部的振動。結構在第3階振型時即出現了明顯的繞軸的扭轉，說明結構在平面內剛度不均勻，因此應考慮雙向地震同時作用的情況；前幾階平動振型各含一定比例的分量，因此需要補充最不利地震作用方向角計算。

圖8 振型對比

3.2.2 多遇地震計算分析

1）結構變形。分別對兩種方案在多遇地震下最不利工況的關鍵部位變形指標進行驗算，變形均在安全范圍內，如表3所示。型鋼混凝土圓環樓蓋方案剛度更大，但結構變形不起控制作用，組合結構樓蓋方案仍然滿足設計要求。

表3 多遇地震作用下關鍵部位變形

分別對兩種方案方向最不利工況下的層間變形指標進行驗算，均遠小于GB/T 51336—2018《地下結構抗震設計標準》中1/1 000的限值。由于層間位移最大處出現于結構邊緣部位而非設計區域，因此層間位移指標幾乎相同，組合結構方案指標如表4所示。

表4 多遇地震作用下結構層間位移

組合結構方案中，框架的變形情況如圖9所示。關鍵部位變形均可控，而結構邊緣收窄部位和交叉節點區域出現了較大變形，在設計時需要注意該處的可靠性。

圖9 多遇地震作用下組合結構變形

2）截面抗震性能。由于地區6度設防，在小震作用下其他位置不起控制作用，因此僅針對荷載大、跨度長、結構新的大跨交叉節點和組合轉換梁區域進行截面抗震性能的分析。

多遇地震作用下，大跨交叉節點區域設計內力取方向、最不利地震作用方向及斜向15°劃分各方向設計內力的包絡。如表5所示，經過調整后的彈性承載力與地震工況設計內力的比值，即安全系數，最小值為1.77，有較大冗余。地震工況下，大跨交叉節點區域柱最大軸壓比為0.51<0.75，滿足鋼管混凝土軸壓比限值的要求。最大軸壓比柱出現在外圓環與周圍框架交叉節點處附近，且鋼結構應力最大值達207 MPa，在進行此類節點的構造設計時應當注意傳力的連續性和連接的可靠性。

表5 大跨交叉節點區域組合梁抗震承載力安全系數

多遇地震作用下，轉換梁設計內力取方向設計內力的包絡，轉換梁區域彎扭耦合效應顯著，扭矩達2 719.4 kN·m。安全系數最小值為1.57，如表6所示，具有相當的冗余度。地震工況下，轉換梁區域柱最大軸壓比為0.66<0.80，滿足鋼管混凝土軸壓比限值的要求。

表6 組合轉換梁抗震承載力安全系數

3.2.3 罕遇地震計算分析

從車站結構的振型分析來看，在低階振型中，除了水平面內、方向的平動振型外，還出現了明顯的扭轉振型（第3階振型），僅采用簡化的反應位移法對于此類平動和扭轉振型存在耦合的結構進行分析無法反映結構在地震作用下的真實響應；考慮到本地設防地震烈度僅6度，大部分構件在大震下尚未進入彈塑性階段，故按彈性時程進行分析計算。

根據規范要求，選取的3條地震波分別是A：盈建科程序生成的人工波；B：Santa Barbara_NO_135以及C：Whittier Narrows-01_NO_618。滿足規范中對時程分析法使用地震波的各種要求。分別計算每條波在主方向上雙向作用，驗算設計時對3條地震波分析結果取包絡。

結構在大震作用下須要關注的關鍵部位的位移包括大跨交叉節點區域雙圓環中心撓度，裙樓組合轉換梁豎向撓度，以及支承二者的柱在水平面的位移。如表7所示，在不同地震作用下，兩種方案的抗震性能相近。

表7 罕遇地震作用下關鍵部位變形

各地震波作用下各結構層間位移角的包絡如表8所示。結構在大震作用下層間位移角遠小于規范的彈塑性層間位移角要求，甚至部分結構變形滿足了彈性層間位移角的要求，說明結構在罕遇地震作用下仍然能正常使用。

表8 罕遇地震作用下結構層間位移角包絡

4 結束語

為了開發適用于軌道交通共構工程的鋼–混凝土組合結構體系，依托東莞市國際商務區地鐵6號線與8號線節點西平站項目，針對該車站換乘節點和轉換梁結構，提出了組合結構方案，并借助軟件，對型鋼混凝土結構和組合結構的抗震性能進行對比研究，得到以下結論：

1）根據組合梁理論設計的發散式主梁組合樓蓋和變截面箱型組合轉換梁，結構受力合理，截面尺寸適當，施工工藝簡單，經濟效益良好。其中，相比于型鋼混凝土方案，組合結構樓蓋方案支座處梁高降低33%，跨中處梁高降低28%，總造價降低36%；組合結構轉換梁方案降低自重49%，每延米造價降低7%。

2）受地上部分結構影響，組合結構方案與型鋼混凝土方案結構的自振特性，例如自振周期、振型形狀等幾乎相同，組合結構自振周期稍大于型鋼混凝土結構。

3）與型鋼混凝土方案相比，組合結構方案的抗震性能無明顯差別，結構安全系數均大于1.5，最大層間位移角在多遇地震作用下為1/2 606，罕遇地震作用下為1/611，可以滿足抗震設防的需要。

4）組合結構轉換梁區域彎扭耦合效應顯著，大跨交叉節點鋼結構應力水平高，應當作為設計中需要重點關注的環節，應當采取一定的措施保證復雜受力狀態下連接的可靠性。

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Seismic Performance Analysis of Steel-Concrete Composite Structural System for Rail Transit Co-Construction Projects

WANG Chunsen1LI Ruisong2XING Min1ZHUANG Liangdong2NIE Xin2ZOU Yan1

(1. Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510000, China; 2. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

With the development of urban rail transit and the deepening of integration of under-and above-ground urban space, the rail transit co-construction project has become a new direction of the public transportation-oriented development mode. Relying on the Dongguan Xiping Station project, a combined structural scheme was designed for the long-span building cover and conversion beam area, which could reduce the height of beams by 28%-33%, the dead weight by 49%-66%, and the cost by 7%-36%. The overall model of the steel reinforced concrete structureand the steel-concrete composite structure were established and the seismic performance analysis of the two structuresunder different earthquake was carried out by YJK and MIDAS Gen. The composite structure decreased the interlayer displacement angle under rarely occurred earthquake, which suggested that it showed a better seismic resistance while maintaining natural vibration characteristics similar to the steel reinforced concrete structure. It was notable that the bending-torsional coupling effect in the transformation beam area is significant, resulting in the torque reached up to 2 719.4 kN·m; and the stress of the long-span steel structure reached up to 207 MPa.

steel-concrete composite structure; co-construction structure; response displacement method; time history analysis; seismic performance

王春森, 李瑞嵩, 邢民, 等. 軌道交通共構工程鋼–混凝土組合結構體系抗震性能分析[J]. 工業建筑, 2024, 54(1): 96-101. WANG C S, LI R S, XING M, et al. Seismic Performance Analysis of Steel-Concrete Composite Structural System for Rail Transit Co-Construction Projects[J]. Industrial Construction, 2024, 54(1): 96-101 (in Chinese).

10.3724/j.gyjzG23082210

*國家自然科學基金原創探索項目（52250003）。

王春森，男，1980年出生，高級工程師，主要研究方向為軌道交通結構工程及前期工程，wangchunsen@dtsjy.com。

莊亮東，男，1994年出生，博士，助理研究員，主要研究方向為鋼–混凝土組合結構，zhuangld12@126.com。

聶鑫，男，1985年出生，副教授，主要研究方向為鋼–混凝土組合結構，xinnie@mail.tsinghua.edu.cn。

2023-08-22