近断层强震下川藏铁路站房结构抗震设计及韧性评估

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川藏铁路沿线站房多位于高烈度区,且在近断层强震作用下可能出现较严重的破坏,不仅会产生大量经济损失,可能造成人员伤亡,还会影响铁路运输,引起比较严重的社会影响。与普通的民用建筑不同,铁路站房有着竖向刚度不均匀、柱网尺寸大、楼板局部不连续、易出现单跨框架等特点。在近断层强震作用下,站房结构的地震响应较为复杂。因此,为了提高川藏铁路典型站房的抗震安全,本文首先选取了198组近断层脉冲型地震动,并基于《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010),提出了一系列修正方法,建立了近断层抗震设计谱;然后,根据规范抗震设计谱与近断层抗震设计谱对川藏铁路典型站房结构进行了抗震设计,并选取混凝土框架的最大层间位移角、钢结构屋架铰支座预埋锚固端、非结构构件作为地震需求参数,对基于两种设计谱的川藏铁路典型站房结构进行了地震易损性分析;最后,根据《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591-2020),通过5000次蒙特卡洛模拟结果计算出了基于两种设计谱的川藏铁路典型站房的修复费用、修复时间及人员伤亡率,并进行了抗震韧性评估。本文得到的主要结论如下:(1)本文提出的近断层抗震设计谱工程应用简便,可为近断层区川藏铁路站房结构的抗震设计提供参考。其中,对于近断层区水平向抗震设计谱,可通过将规范水平向抗震设计谱乘以1.5倍放大系数、多遇和罕遇地震时的特征周期取值不小于0.75s和0.80s的修正方式得到;对于近断层竖向抗震设计谱,可通过将规范竖向抗震设计谱乘以1.5倍放大系数、多遇和罕遇地震时的特征周期取值不小于0.40s和0.45s、衰减指数取0.6的修正方式得到。(2)近断层抗震设计谱可以有效降低川藏铁路典型站房混凝土框架与非结构构件(填充墙)的地震易损性。在8度(0.3g)罕遇地震作用下,基于近断层抗震设计谱的川藏铁路站房混凝土框架与非结构构件(填充墙)达到严重破坏的超越概率值,相较于规范设计谱分别下降了14.76%、7.64%,但钢结构屋架达到严重破坏的超越概率值却提高了5.41%。因此采用近断层抗震设计谱对铁路站房混凝土框架进行抗震设计时,还需关注钢结构屋架的损伤。(3)基于近断层抗震设计谱的铁路站房各局部构件的损伤程度大小顺序和基于规范抗震设计谱的铁路站房一致,其损伤程度由小到大依次为:钢结构屋架、混凝土框架、非结构构件。因此,在类似的铁路站房抗震设计中,还需关注非结构构件的损伤情况。(4)近断层抗震设计谱可以有效提高川藏铁路典型站房的抗震韧性等级。其中,抗震韧性等级采用星级制进行评价,由一星到三星逐级提高。基于规范设计谱的川藏铁路典型站房的抗震韧性等级为一星,基于近断层设计谱的川藏铁路典型站房的抗震韧性等级为二星。(5)在8度(0.3g)极罕遇地震作用下,基于近断层抗震设计谱的川藏铁路典型站房结构构件、位移型非结构构件产生的修复费用较规范抗震设计谱分别降低了32.9%、5.6%,修复时间分别缩短了19天、2.5天。但加速度型非结构构件产生的修复费用反而修复费用提高了68.0%,修复时间增加了2.2天。因此,在类似铁路站房抗震设计中,建议使用隔震技术措施等以降低楼层峰值加速度,减少加速度型非结构构件的损伤。
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