地震作用下高铁站房结构破坏风险分析方法探讨.docx

地震作用下高铁站房结构破坏风险分析方法探讨摘要高铁站房设计建造时往往采用较大的净空及多功能的复杂结构形式，对于建筑结构的地震防护和人员的安全疏散都是较为严峻的考验。对于结构破坏的分析应当从结构破坏具体参数、结构受力传力规律和特殊构件监测长期指标和规范要求的计算内容上进行考虑，对于结构风险分析应当先进行结构可靠度指标计算，在进行地震模拟时可以采用数值模拟和振动台技术结合的手段，在结构响应求解方面有多种方法，建议使用时程分析法和振型分解反应谱法联合分析。关键词高铁站房；地震；结构破坏；分析方法中图分类号：F530.32文献标识码：A1高铁站房地震危险性随着现代高速铁路技术的发展，高铁站房作为一种特殊大跨公共建筑已经在国内外大中小城市遍布存在，而近年来地震自然灾害频发，屡屡造成财产损失和人员伤亡的事件，已经成为自然界中最为难以预防和抵抗的灾害之一。因此，进行高铁站房的地震研究是极有必要的。高铁站房为了满足交通运输的需要，设计建造时往往采用较大的净空及多功能的复杂结构形式，因此导致地震发生后的加速度放大效应必然较为明显，加之其交通运输方式导致内部乘客及工作人员数量多且密集，一旦发生地震，对于建筑结构的防护和人员的安全疏散都是较为严峻的考验。尤其对于我国疆域分布广、许多高铁站房都位于高烈度地震频发区的特点来说，如果仅按照传统抗震设计方法进行设计和研究，可能会造成设计地震作用力偏小，站房抗震能力偏弱的结果。大跨结构在地震时由于波动效应与本体作用后将会产生强烈的地震作用力，如1999年9月我国台北921地震就造成了石冈水坝坍塌，见图1。高铁站房在保障人员安全、建筑物和列车损失较小的情况下，重要程度远高于一般大跨结构。近年来，许多专家学者也对铁路站房的抗震性能和防护措施进行了一定的研究，取得了重要的成果[1-9]。图1.我国台北921地震导致水坝断裂2结构破坏分析指标对于建筑物来说，很难根据整体破坏情况评判结构破坏的实际进度，尤其对于高铁站房来说，其承受了巨大荷载，结构类型也不利于地震作用力，因此需要选定合适的结构部位分析特定的地震响应参数，才能合理判断结构破坏的严重程度。杨惠东[1]等人提出使用特殊支撑和阻尼墙联合抗震技术，优化了相关设计；唐虎[2]对8度抗震设防区铁路站房建筑和结构隔震方案进行了详细介绍；张岩寿[3]等人通过编制相关地震动模拟程序对天津西站屋盖地震响应进行了分析；吕晓寅[4,5]等人对采用钢网架-混凝土框架混合结构的铁路站房进行了有限元分析并计算了响应结果；还有部分专家对抗震措施和分析方法也进行了讨论。总体来说，根据各种方法进行研究计算都有一定的适用性，但还没有对高铁站房的抗震进行综合考虑，难以全面的评判分析地震破坏的指标。根据《建筑抗震设计规范》[10]及相关研究，对于结构破坏的分析应当从多个方向入手。（1）在具体参数上结构破坏分析可从反应谱振型、顶层和层间位移及位移角和楼层剪力等方面进行考虑；（2）在结构受力传力规律上，应重点关注层间能量传递变化规律、结构之间的刚度变化、重点部位如梁柱墩之间的受力与变形协调和特殊部位如楼梯的适宜防护；（3）在采用特殊构件如预应力结构（如图2）的部位，对其应当进行监测并分析其长期指标，以此进行建筑物的抗震性能安全系数折减，也可在震后作为结构破坏的分析指标。此外，由于高铁站房的特殊性，不仅应当在计算指标上对两个主轴方向进行测算，还应计算竖向地震作用，计算双向水平地震作用下的扭转影响和各抗侧力构件方向的水平地震作用影响。图2.车站站房预应力钢结构3结构风险分析方法结构风险分析首先应当计算结构可靠度指标，较为常用的是二阶矩法、验算点法（又称JC法）和映射变换法等。结构可靠度指标影响地震安全性评价，在设计建设时使用地震影响系数来计算构件尺寸及相应钢筋混凝土材料，如成都东站（见图3）初步设计时未考虑地震安全性评价，后续补充设计后因考虑其位于我国西部地震频发地域，建造价格提升了三千万元。图3.成都东站平面示意图在早期研究进行地震力模拟时常采用拟静力法，该方法是将地震力视作施加在结构上的等效荷载，通过静力计算方法得出结构地震响应，而此种方法忽略了地震动力影响，实际地震情况为结构承受循环荷载并受频谱的影响，因此可能存在较大的误差。在结构风险理论分析中，往往难以采用随机地震波进行考虑，因此结构分析时常常采用结构模拟的方法，在模拟地震条件时常常使用数值模拟或振动台模型模拟技术，数值模拟中在涉及结构构件时常采用有限元模拟技术，常用软件有ABAQUS、ANSYS和PKPM等，振动台模型模拟需要相应的试验装备和技术，二者进行组合考虑可以得到较为理想的效果。在进行结构地震反应计算或模拟后可以使用多种过程控制方法进行结构响应求解，见表1。表1.结构响应求解方法方法原理主要考虑指标时程分析法对结构物的运动微分方程直接进