龔俊虎,王庭正

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

1 工程概述

滬寧城際軌道交通工程是長三角地區(qū)城際軌道交通網(wǎng)規(guī)劃中的網(wǎng)絡(luò)主軸之一,全線長約300 km,線路走向基本平行于既有的滬寧鐵路,經(jīng)由南京、鎮(zhèn)江、無錫、蘇州至上海,列車設(shè)計時速300 km。全線共設(shè)31個站點,其中南翔北、安亭北、花橋、昆山南及惠山等5個站設(shè)計為高架站。滬寧城際軌道交通工程于2010年7月建成通車,為滬寧之間的地區(qū)提供了大能力、高質(zhì)量的“快速、公交化”新型交通運輸方式,對促進長三角區(qū)域經(jīng)濟一體化快速發(fā)展具有重要意義。

滬寧城際鐵路安亭北、昆山南等5個高架站最大的特點就是均為“橋建合一”綜合體系[1],上部站房建筑采用空間管桁屋架結(jié)構(gòu),通過直徑為1 m或0.8 m的鋼管柱直接于橋梁結(jié)構(gòu)上,站房屋架、橋梁聯(lián)為一體,整個結(jié)構(gòu)體系受力復(fù)雜,結(jié)構(gòu)制造精度與變形控制要求高,增大了計算分析和設(shè)計的難度。高架站房區(qū)的橋墩主要采用門式墩或矩形實體墩,軌道梁采用24 m或32 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,站臺梁采用橫截面呈π形的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁。滬寧城際鐵路惠山高架站“橋建合一”立面布置見圖1。

圖1 滬寧城際鐵路惠山高架站“橋建合一”立面布置示意(單位：mm)

2 高架站橋墩設(shè)計研究

由于高架站的上部站房建筑直接支承于橋梁之上,因此橋墩除承受梁部自重及列車活載外,還要承受建筑結(jié)構(gòu)傳至橋墩的巨大荷載,在這些荷載的組合作用[2]下,橋墩底部受到巨大的彎矩和剪力作用,因此,從結(jié)構(gòu)受力的角度來考慮,橋墩很難設(shè)計為通常意義上的混凝土結(jié)構(gòu),而必須設(shè)計為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?？紤]到橋墩抗震和混凝土延性設(shè)計[3]要求,橋墩的構(gòu)造及配筋要求更為嚴(yán)格。如安亭北、花橋等高架站的橋墩設(shè)計上,墩柱為2.0 m×2.8 m的矩形截面,柱底豎向鋼筋采用2根1束φ28 mm、間距10 cm的鋼筋布置形式,如圖2所示。

圖2 門式墩立柱鋼筋布置橫截面 (單位：cm)

上部站房建筑通過直徑為100 cm或80 cm的鋼管柱通過埋入式柱腳[4,5]支承于橋墩上,屋架柱腳與橋墩連接的鋼混結(jié)合部受力復(fù)雜。為了抵抗屋架傳至橋墩的巨大軸力、剪力和彎矩,屋架柱腳除在柱底設(shè)置φ25 mm預(yù)埋錨栓錨固于墩頂外,還在鋼管柱底2.5 m高范圍內(nèi)設(shè)置剪力釘與墩上混凝土支柱結(jié)合在一起,并在剪力釘外圍設(shè)置了φ12 mm環(huán)行箍筋和φ25 mm豎向抗彎鋼筋，如圖3所示。在整個設(shè)計過程中,都需要橋梁工程師與建筑結(jié)構(gòu)工程師及時地溝通協(xié)作,充分考慮“橋”、“建”邊界結(jié)合部對高架站設(shè)計的影響。

圖3 屋架柱腳與橋墩的連接構(gòu)造(單位：mm)

在站房區(qū)內(nèi),橋墩底部的地面層形成通暢的旅客進出站通道,橋墩不再是一般的橋梁下部結(jié)構(gòu),而成為站房內(nèi)部建筑體系的重要組成部分,橋墩的設(shè)計直接關(guān)系到旅客對整個站房的感受。因此進行橋梁設(shè)計時,在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,應(yīng)盡量將橋梁設(shè)計成大跨、纖細型結(jié)構(gòu),避免粗大橋墩影響站房內(nèi)部景觀。如花橋、惠山等高架站中采用了較多的門式墩[6],墩高11～14 m,橫向跨度6.5～9.5 m,墩柱為2.0 m×2.8 m或3.0 m×2.8 m的矩形截面,相鄰橋墩縱向距離設(shè)計為32.6 m,這樣就減小了大型橋梁結(jié)構(gòu)造成的壓抑感,形成了開闊通透的視覺感受,同時也凸顯了高架站的宏偉氣勢。

在細節(jié)設(shè)計上,為了避免橋梁的排水管道體系影響橋墩美觀,將排水管設(shè)計成墩身內(nèi)置式,在澆筑墩身混凝土前即將排水管預(yù)埋在墩身內(nèi),墩底排水管末端直接與站房區(qū)地下排水管道系統(tǒng)相連,極好地解決了排水、美觀以及旅客通行之間的矛盾。

3 高架站π形站臺梁設(shè)計研究

在高架站房區(qū),列車在高架橋上行駛,為了形成便捷的旅客上下車通道,在高架正線之間或其外側(cè)設(shè)置了π形截面站臺梁。站臺梁跨度與其旁的正線高架橋相同,設(shè)計為縱向跨度32 m的π形預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁(與列車走行軌道梁跨度相同),站臺梁高2.5 m,站臺梁頂與正線高架橋軌頂之間形成1.25 m的高差,列車到站時站臺梁頂與車廂內(nèi)地板等高,大大方便了旅客上下車。如圖4所示。

圖4 站臺梁與軌道梁之間的高差示意(單位：mm)

根據(jù)每個高架站站房布局的不同分別設(shè)計成7.1、8.1、9.0、12.0 m等不同的橋面寬度,站臺梁橋面板厚30 cm,兩片縱梁在梁端寬100 cm,在跨中寬60 cm,在站臺梁上有雨棚柱的位置及梁端設(shè)有橫隔板,站臺梁橫向布置詳見圖5～圖6。

在高架站臺層和墩底地面層之間設(shè)置了樓梯、扶手電梯以及垂直升降電梯,樓梯或電梯位置對應(yīng)的站臺梁橋面板上需開設(shè)預(yù)留洞,以使人流能夠在高架站臺層和墩底地面層之間通行。預(yù)留洞的開設(shè),增大了π形站臺梁的設(shè)計難度。以南翔北高架站為例,π形站臺梁橋面板寬8.1 m,跨度32 m,橋面板上為樓梯、電梯開設(shè)的預(yù)留洞達3.9 m×12 m,如圖7所示,而站房區(qū)雨棚柱直接支承在站臺梁上,這樣站臺梁在樓梯預(yù)留洞附近和雨棚柱連接部位將同時受到彎、剪、扭組合外力的復(fù)合作用[7],受力非常復(fù)雜?？臻g有限元分析結(jié)果表明,在雨棚柱荷載單獨作用下,不開樓梯預(yù)留洞時,站臺梁底下緣產(chǎn)生約0.5 MPa的主拉應(yīng)力；但開設(shè)樓梯預(yù)留洞后站臺梁底下緣的主拉應(yīng)力最大達2.5 MPa(位于開洞附近部位),詳見圖8所示。由此可見,開設(shè)樓梯預(yù)留洞后,站臺梁開洞附近部位在雨棚柱腳荷載作用下的彎剪扭組合效應(yīng)非常明顯。

圖5 橋面寬度為9 m的π形站臺梁橫截面(單位：cm)

圖6 橋面寬度為12 m的π形站臺梁橫截面(單位：cm)

圖7 南翔北高架站站臺梁樓梯預(yù)留洞示意(縱立面)(單位：cm)

圖8 雨棚柱荷載單獨作用正應(yīng)力(單位：Pa)

為了保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全,相對于未開設(shè)樓梯預(yù)留洞的站臺梁,將開洞站臺梁的預(yù)應(yīng)力筋由12根1束增加為15根1束。有限元分析結(jié)果表明,采取上述措施后,在最不利荷載組合作用下站臺梁底下緣仍有約5.0 MPa的壓應(yīng)力儲備(圖9),但開洞附近雨棚柱下方梁體混凝土局部主拉應(yīng)力最大達2.0 MPa,為此在有雨棚柱一側(cè)梁體配置了φ20 mm的抗扭箍筋及抗扭縱筋。

在昆山南高架站中,站臺梁橋面板寬12 m,π形截面站臺梁的2片縱梁中心距為8 m,橫向?qū)挾鹊脑龃?造成站臺梁橋面板橫向受力不利。有限元分析結(jié)果表明,如直接參照9.0 m寬站臺梁將橋面從中間向兩邊加寬3 m,形成12 m寬站臺梁,不采取其他構(gòu)造措施,則橋面板橫向拉應(yīng)力最大達1.5 MPa。為了改善橋面板的橫向受力,在站臺梁2片縱梁之間增設(shè)了1道高50 cm的縱肋,同時增設(shè)1道橫隔板,橫隔板最大縱向間距由10.9 m減小為6 m,最終將橋面板分割在較小的格構(gòu)內(nèi)傳力?？臻g有限元分析結(jié)果表明,采取上述改善措施后,橋面板最大橫向拉應(yīng)力為0.5 MPa(圖10(a))。同時,由于橫向跨度較大,橫隔板下緣的拉應(yīng)力最大達1.2 MPa(圖10(b)),為此在橫隔板截面下緣配置了φ25 mm、間距10 cm的普通鋼筋,增強了結(jié)構(gòu)整體抗裂性能。

圖9 組合力作用下的正應(yīng)力(單位：Pa)

圖10 12 m寬站臺梁橫向應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

4 屋架結(jié)構(gòu)與橋梁結(jié)構(gòu)之間的傳力與連接構(gòu)造

滬寧城際鐵路5座高架站均設(shè)計為復(fù)雜的“橋建合一”綜合結(jié)構(gòu)體系,屋架柱或雨棚柱等建筑結(jié)構(gòu)直接支承在橋墩或π形梁之上,橋墩或站臺梁必須承受建筑結(jié)構(gòu)傳來的結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、地震荷載等。但是現(xiàn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范采用基于概率論的極限狀態(tài)法進行設(shè)計[8],而現(xiàn)行鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范則采用容許應(yīng)力法進行設(shè)計[9],這必然給建筑結(jié)構(gòu)與橋梁結(jié)構(gòu)之間荷載值的相互傳遞引用帶來麻煩。

為了解決“橋建合一”綜合結(jié)構(gòu)體系橋梁和屋架設(shè)計方法不同帶來的荷載值引用問題,在進行屋架和雨棚設(shè)計時采用結(jié)構(gòu)內(nèi)力的設(shè)計值,而建筑結(jié)構(gòu)傳至橋梁結(jié)構(gòu)的力則采用建筑結(jié)構(gòu)支承反力的標(biāo)準(zhǔn)值,并將其作為外力施加到橋梁上進行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計。

在高架站中,相鄰兩個屋架柱之間(間距32.6 m)設(shè)置雨棚柱,雨棚柱(φ80 cm鋼管)采用埋入式柱腳,預(yù)埋于站臺梁的縱梁和橫隔板交叉節(jié)點部位,通過剪力釘和加勁鋼板與站臺梁形成整體,站臺梁除承受自重、人群荷載等之外,還要承受由雨棚柱傳來的集中荷載,因此雨棚柱腳與站臺梁連接的鋼混結(jié)合部受力復(fù)雜。為了防止柱腳部位的混凝土結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中,對雨棚柱腳附近混凝土進行了局部加強并配置防裂鋼筋(圖11),保證了站臺梁和雨棚柱連接的可靠性。

圖11 站臺梁與雨棚柱的連接構(gòu)造(單位：cm)

5 結(jié)論

(1)高架站橋墩除承受梁部自重及列車活載外,還要承受建筑結(jié)構(gòu)傳至橋墩的巨大荷載,墩底受到巨大的彎矩和剪力作用,應(yīng)嚴(yán)格按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)配置鋼筋,增強橋墩抗裂性能。

(2)高架站橋墩底部的地面層形成通暢的旅客進出站通道,橋墩不再是一般的橋梁下部結(jié)構(gòu),而成為站房內(nèi)部建筑體系的重要組成部分,因此在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,應(yīng)盡量將橋梁設(shè)計成纖細、大跨型結(jié)構(gòu),避免粗大橋墩影響站房內(nèi)部景觀,形成開闊通透的視野。

(3)開設(shè)樓梯預(yù)留洞的π形截面站臺梁,其開洞附近部位在雨棚柱荷載作用下的彎剪扭組合效應(yīng)非常明顯,應(yīng)適當(dāng)增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋并配置抗扭鋼筋,以加強站臺梁的抗剪和抗扭性能。

(4)橫向?qū)挾葹?2 m的π形截面站臺梁,處于橫向受力較為不利的狀態(tài),其橋面板和橫隔板下緣均應(yīng)加強配筋。橫隔板能有效改善站臺梁橋面板的橫向受力,可適當(dāng)增設(shè)橫隔板,將橋面板分割在較小的格構(gòu)內(nèi)傳力。

(5)屋架鋼管柱與橋墩的鋼混結(jié)合部以及雨棚柱與站臺梁的鋼-混結(jié)合部局部受力復(fù)雜,通過加強局部混凝土、設(shè)置抗剪栓釘、預(yù)埋錨栓錨固等措施,保證了鋼混結(jié)合部連接的可靠性。

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