曾 敏

(中鐵二院 昆明勘察設計研究院有限責任公司,云南 昆明 650200)

“橋建合一”高架車站橋梁結(jié)構(gòu)合理型式及設計技術

曾 敏

(中鐵二院 昆明勘察設計研究院有限責任公司,云南 昆明 650200)

高架車站在城市軌道交通建設中越來越被廣泛運用，通過某地鐵線紅山站、上塘北站兩個工點橋梁設計，分析了“橋建合一”及“橋建分離”兩種高架車站形式結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，通過計算分析對樁基剛度、變形縫、墩柱截面尺寸大小等參數(shù)進行了影響分析，希望對以后類似的項目具有指導意義。

高架車站；“橋建合一”；橋梁結(jié)構(gòu)；設計

0 引 言

伴隨著中國經(jīng)濟高速發(fā)展，中國城市軌道交通建設也翻開了嶄新的一頁。在國內(nèi)的一些大中城市，發(fā)展城市軌道交通已經(jīng)成為改善城市交通的重要手段。由于高架車站具有建設運營費用低廉，節(jié)省建設用地等優(yōu)勢，在國內(nèi)得到了普遍的應用。高架車站主要分為“橋建分離”“橋建合一”等多種車站結(jié)構(gòu)型式。但相比“橋建分離”，“橋建合一”的車站結(jié)構(gòu)型式具有換乘方便、結(jié)構(gòu)緊湊、整體性強、節(jié)省建設用地等優(yōu)點，在設計中越來越廣泛運用，具有更強的競爭力[1-3]。

通過某地鐵線紅山站、上塘北站兩個工點橋梁設計，結(jié)合我國現(xiàn)行有關規(guī)范的系統(tǒng)研究，對“橋建合一”的車站橋梁設計開展了橋梁結(jié)構(gòu)型式選型及受力特性分析，希望對以后類似的項目具有重要的指導意義和工程應用價值。

1 “橋建合一”高架車站橋梁結(jié)構(gòu)選型

高架車站結(jié)構(gòu)運用比較多的是“橋建分離”以及“橋建合一”兩種結(jié)構(gòu)形式。

“橋建分離”高架車站是軌道梁與車站結(jié)構(gòu)完全分開布置的結(jié)構(gòu)形式,“橋建分離”結(jié)構(gòu)形式見圖1。“橋建合一”結(jié)構(gòu)形式是：軌道梁支承或剛接于車站結(jié)構(gòu)、站臺梁等車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件支承或剛接于軌道梁橋上，形成“橋建合一”結(jié)構(gòu)體系?！皹蚪ê弦弧苯Y(jié)構(gòu)形式見圖2。優(yōu)缺點對比見表1，為了節(jié)約用地，利于建筑布局普遍采用“橋建合一”的結(jié)構(gòu)形式[4-6]。

圖1 高架車站“橋建分離”結(jié)構(gòu)形式

圖2 高架車站“橋建合一”結(jié)構(gòu)形式

1.1 某地鐵線紅山站橋梁結(jié)構(gòu)設計

紅山站位于規(guī)劃騰龍路上，站位與既有4號線(龍華線)紅山站平行。本站位于道路中央，由于綜合考慮用地條件及城市景觀要求，車站主體擬采用“橋建合一”的結(jié)構(gòu)形式，即將軌道梁支承于結(jié)構(gòu)橫梁上，以便于建筑布局。車站為三層混合結(jié)構(gòu)，一、二層為鋼筋混凝土“橋建合一”結(jié)構(gòu)，三層為鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，全長150 m。屋蓋采用鋼架結(jié)構(gòu)，軌道梁采用鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)。橫向柱間距18.7 m；縱向柱間距15.0 m。車站整體造型風格同4號線車站。橋墩基礎采用分離式基礎，每軸下2個墩柱各設一個承臺，每個承臺設3根樁，樁徑1.2 m。紅山站結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。紅山站橋梁結(jié)構(gòu)尺寸。如表2所列。

表1 車站結(jié)構(gòu)形式方案比較

圖3 紅山站結(jié)構(gòu)形式

表2 紅山站橋梁結(jié)構(gòu)尺寸表

1.2 某地鐵線上塘北站橋梁結(jié)構(gòu)設計

本站位于布龍路道路中央分隔帶上，墩柱布置空間狹窄，從控制柱網(wǎng)、減小體量、提高車站景觀效果的角度出發(fā)，根據(jù)車站功能、建筑方案和車站工程環(huán)境綜合考慮，本站采用“橋-建”合一島式高架車站，站臺寬度10 m。橋墩基礎采用分離式基礎，每個墩柱下各設一個承臺，每個承臺順橋向設兩根樁，樁徑1.8 m或1.5 m。上塘北站結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示。上塘北站橋梁結(jié)構(gòu)尺寸,如表3所列。

圖4 上塘北站結(jié)構(gòu)形式

表3 上塘北站橋梁結(jié)構(gòu)尺寸表

2 結(jié)構(gòu)計算

2.1 模型的建立

由于該車站結(jié)構(gòu)中間不設置伸縮縫，故模型取整個車站進行計算。車站的梁、柱結(jié)構(gòu)均采用空間梁元模擬，站臺結(jié)構(gòu)、站廳的樓面板采用板單元模擬。計算中考慮了恒載、活載、附加力及特殊力[7-8]。

2.2 計算結(jié)果

通過計算分析，在主力作用下車站的軌道層橫梁、站廳橫梁、軌道梁比較控制設計，在主力+附加力作用下車站的墩柱結(jié)構(gòu)控制設計(圖5)。

圖5 主力作用下車站橋梁結(jié)構(gòu)彎矩圖

3 參數(shù)影響分析

3.1 樁基剛度對車站橋梁結(jié)構(gòu)受力影響分析

對于車站橋梁這種復雜的超靜定結(jié)構(gòu)，考慮下部樁基的剛度作用，才能求解體系的真實內(nèi)力和位移。因此較為準確、簡便的模擬樁-土相互作用，是計算車站橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的一項重要的工作。在車站橋梁結(jié)構(gòu)建模計算過程中，采用“m”法土彈簧模擬樁-土相互作用[9-10]。

從圖6可以看出來考慮樁基作用的最大彎矩為6 194 kN·m, 從圖7中可以看出沒有考慮樁基作用的最大彎矩為9 753.5 kN·m，考慮樁基的左右可以弱化墩柱的整體剛度，從而分配的彎矩減小。因此在設計計算中應該準確模擬樁-土作用，才能準確地計算出橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。如果不考慮樁-土作用，可能出現(xiàn)計算無法通過的情況，或者超配鋼筋的情況。

圖6 考慮樁基作用的墩柱主+附組合下彎矩圖

圖7 沒考慮樁基作用的墩柱主+附組合下彎矩圖

3.2 車站是否設置變形縫對橋梁結(jié)構(gòu)受力分析

混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定混凝土現(xiàn)澆式框架結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距是55 m，城市軌道交通高架車站縱向長度一般均超過了該限值，車站縱向長度一般120 m至150 m，目前國內(nèi)有設縫和不設縫2種解決方法。

從圖8可以看出車站設一道變形縫的墩柱主+附組合的最大彎矩為7 650 kN·m, 從圖9可以看出車站不設縫的墩柱主+附組合最大彎矩為9 753.5 kN·m，車站不設縫比車站設一道變形縫溫度聯(lián)長要長，從而溫度及收縮徐變產(chǎn)生的彎矩要大。因此在設計中應該考慮合理設置變形縫使車站橋梁結(jié)構(gòu)受力更小，當因為建筑布局無法設置變形縫的時候，應該采取其他措施減小溫度及收縮徐變產(chǎn)生的內(nèi)力。

圖8 車站設一道變形縫的墩柱主+附組合下彎矩圖

圖9 車站不設縫的墩柱主+附組合下彎矩圖

3.3 墩柱截面尺寸和受力分析

“橋建合一”的高架車站屬于超靜定結(jié)構(gòu)，在整體升降溫、混凝土收縮徐變作用下都將在超靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生次內(nèi)力,對于墩柱高度較矮、剛度較大的且縱橫梁固結(jié)的車站結(jié)構(gòu),墩柱的內(nèi)力通常會很大，成為控制設計的主要因素,墩柱的截面大小對內(nèi)力大小有著非常明顯的影響:加大墩柱的截面面積能夠提高墩柱本身的承載能力,但同時因為墩柱剛度的增加,從而導致墩柱中內(nèi)力的增加。因此墩柱設計中一定要注意選擇合理的截面大小,合理的截面不僅能夠優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力還能節(jié)約材料,表4是一“橋建合一”高架車站墩柱在不同的截面形式下,構(gòu)件在主力+附加力組合下的內(nèi)力、配筋及鋼筋應力情況。

表4 墩柱尺寸對墩底內(nèi)力的影響

4 結(jié) 論

(1) “橋建合一”的高架車站相比“橋建分離”的高架車站具有換乘方便、結(jié)構(gòu)緊湊、整體性強、節(jié)省建設用地等優(yōu)點，在設計中越來越廣泛運用，具有更強的競爭力。

(2) 通過對紅山站、上塘北站兩個高架車站的計算分析，可以看出“橋建合一”的高架車站墩柱及站廳立柱主力+附加力比較控制設計，蓋梁、橫梁、軌道梁主力比較控制設計。

(3) “橋建合一”的高架車站計算分析時，應該模擬樁-土作用考慮樁基的剛度，才能計算出橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，特別是墩柱的內(nèi)力。不考慮樁-土作用的計算結(jié)果一般比考慮樁-土作用的結(jié)果要大。

(4) 出于受力更合理考慮，“橋建合一”的高架車站應設置1道或者2道變形縫。如果因為建筑布局原因不能設置伸縮縫的，要正確計算溫度、收縮徐變產(chǎn)生的內(nèi)力，采取一定措施減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力，使結(jié)構(gòu)受力更合理。

(5) “橋建合一”的高架車站屬于超靜定結(jié)構(gòu)，墩柱的截面大小對內(nèi)力大小有著非常明顯的影響，加大墩柱的截面面積能夠提高墩柱本身的承載能力,但同時因為墩柱剛度的增加,從而導致墩柱中內(nèi)力的增加。因此墩柱設計中一定要注意選擇合理的截面大小,合理的截面不僅能夠優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力還能節(jié)約材料。

[1] GB 50157-2013 地鐵設計規(guī)范[S].

[2] 俞濟濤．單軌“T”型獨柱墩高架車站結(jié)構(gòu)設計若干問題探討[J]．鐵道工程學報，2007( 4):96～99．

[3] 毛學鋒，許智焰，周永禮.深圳地鐵3號線高架車站結(jié)構(gòu)設計研究[J] .鐵道工程學報，2011(12)：94～98.

[4] 李 釗.“站橋合一”式車站結(jié)構(gòu)簡化抗震性能研究[D].北京:北京交通大學，2011.

[5] 李茂生．建橋一體化車站結(jié)構(gòu)研究及其應用[D].上海:同濟大學，2007．

[6] 楊開屏，毛念華．城市軌道交通獨柱墩高架車站的墩柱及樁基設計探討[J]．城市軌道交通研究，2011(2)：80．

[7] 張文斌.成都地鐵2號線東延段高架車站主體結(jié)構(gòu)設計[J] .城市軌道交通研究，2013(7)：55～59.

[8] 張風波．城市輕軌高架車站結(jié)構(gòu)設計研究[D].北京:北京交通大學，2012．

[9] 溫宇平,高 日,劉智敏.城市軌道交通高架車站結(jié)構(gòu)設計研究[J].鐵道建筑,2000(3)：12～14.

[10] 田品華,程振廷.武漢市軌道交通1號線一期工程車站設計及高架線[J].中國城市軌道交通,2004(2):193～198.

遺失聲明

安徽鳳陽龍興建設工程有限公司的城市園林綠化企業(yè)資質(zhì)證書(副本)遺失。證書編號：CYLZ·皖·0226·貳·-3-3。特此聲明作廢。

2016年3月28日

安徽永航消防工程有限公司趙濤同志的安全生產(chǎn)考核合格證書遺失。證書編號：皖建安C(2013)0176694。特此聲明作廢。

2016年9月1日

2016-12-15；修改日期：2016-12-21

曾 敏(1984-)，男，湖南汝城人，碩士，中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司工程師．

U231.4

A

1673-5781(2016)06-0762-04