劉習(xí)超

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063)

城市軌道交通某橋建合一高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉習(xí)超

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063)

隨著城市軌道交通的高速發(fā)展，如何建造安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、舒適的“橋建合一”高架站房已逐步成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的一個(gè)重要研究方向。文章以廈門軌道交通工程1號(hào)線集美學(xué)村站高架站房結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)為例，主要介紹了“橋建合一”高架站PKPM和Midas civil結(jié)構(gòu)模型、荷載取值、荷載工況、結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)造措施等設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

橋建合一；高架站房；荷載工況；結(jié)構(gòu)計(jì)算

0 引言

橋建合一站房結(jié)構(gòu)體系是指以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)作為高架車站的主要承重結(jié)構(gòu)，縱向梁作為軌道梁，車站為三維框架結(jié)構(gòu)，同時(shí)按照車站建筑要求布置梁、板、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，滿足建筑結(jié)構(gòu)及鐵路橋涵相關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求[1]。

橋建合一結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)有：①可根據(jù)建筑需求整齊地布置柱網(wǎng)，能夠較好地滿足車站使用功能要求，并體現(xiàn)車站建筑風(fēng)格和整體造型；②車站結(jié)構(gòu)合理，整體剛度好，易滿足抗震等建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范要求；③采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架主體結(jié)構(gòu)，可有效降低建筑高度。車站空間受軌道梁的影響較小，在展廳層的內(nèi)部景觀設(shè)計(jì)上易于處理[1]。

橋建合一結(jié)構(gòu)體系的缺點(diǎn)有：①列車的鋼軌直接鋪設(shè)在縱向框架梁上，列車的牽引力、制動(dòng)力、橫向搖擺力和無(wú)縫線路軌道力及列車的沖擊力和震動(dòng)等，均直接作用在車站框架結(jié)構(gòu)上，對(duì)整個(gè)車站結(jié)構(gòu)都有一定的影響；②車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須同時(shí)采用建規(guī)和鐵規(guī)，要同時(shí)滿足兩套規(guī)范，設(shè)計(jì)難度較大；③車站對(duì)區(qū)間施工干擾較大，在考慮區(qū)間橋梁架設(shè)工法時(shí)，一般需統(tǒng)籌建設(shè)工期，車站后建或分步建設(shè)；④若考慮架橋機(jī)和預(yù)制梁通過(guò)車站，則車站主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件要承受較大的荷載[1]。

本文擬以廈門地鐵1號(hào)線集美學(xué)村站高架站房結(jié)構(gòu)為例，探討該類建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 工程概況

廈門地鐵1號(hào)線集美學(xué)村站，如圖1所示。為地上2層車站，局部地下1層。車站總長(zhǎng)為147.5m，有效站臺(tái)長(zhǎng)度為117.942m，總建筑面積為7 422.414m2。車站標(biāo)準(zhǔn)段寬為35.3m，有效站臺(tái)寬度為12.0m。主體結(jié)構(gòu)為地上2層高架島式車站，采用鋼筋混凝土純框架結(jié)構(gòu)的建橋合一的結(jié)構(gòu)型式，縱向主要柱距9.75m，橫向主要柱距7.0m和6.6m。車站地面一層為站廳層，地上二層為站臺(tái)層。

擬建場(chǎng)地位于抗震設(shè)防烈7度區(qū)，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組屬第二組，建筑場(chǎng)地類別屬Ⅱ類，建筑抗震設(shè)防類別：重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，場(chǎng)地特征周期為0.40s，抗震等級(jí)：二級(jí)。擬建場(chǎng)地地質(zhì)條件較好。

圖1 廈門地鐵1號(hào)線集美學(xué)村站效果圖

2 車站主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法總結(jié)

2.1 結(jié)構(gòu)模型

集美學(xué)村站橋建合一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。鑒于橋建合一車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須同時(shí)滿足建規(guī)和橋規(guī)兩套規(guī)范，因而在集美學(xué)村橋建合一站房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了兩種軟件建立的結(jié)構(gòu)模型，一種為滿足建規(guī)的PKPM模型，PKPM車站結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。另一種為滿足鐵規(guī)的通用的空間有限元分析軟件Midas Civil模型，Midas Civil車站模型如圖4所示。

在PKPM結(jié)構(gòu)模型中，將列車傳遞至軌道梁上面的動(dòng)荷載等效于線荷載輸入到縱向梁上后，采用極限狀態(tài)法進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)方面相關(guān)分析計(jì)算。在Midas Civil結(jié)構(gòu)模型中，可以直接輸入列車荷載至縱向梁上，采用容許應(yīng)力法進(jìn)行鐵規(guī)方面的相關(guān)分析計(jì)算。該車站總長(zhǎng)147.5m，考慮到溫度應(yīng)力的影響，在兩種模型中，均在車站長(zhǎng)度方向設(shè)置2道分隔縫，模型被分為左、中、右3個(gè)部分。

圖2 集美學(xué)村站橋建合一高架車站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 PKPM車站整體計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

圖4 Midas Civil車站整體計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

(1)工程材料

框架梁、樓板、站臺(tái)板、樓梯混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，基樁、承臺(tái)、基礎(chǔ)梁、框架柱、地下室底板和側(cè)墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45，二次澆搗的構(gòu)造柱、預(yù)制門窗洞口過(guò)梁等混凝土強(qiáng)度均為C30。

(2)車站結(jié)構(gòu)布置和基礎(chǔ)選型

總高度為11.650m，縱向主要柱距9.750m，橫向柱距7m和6.6m，2層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，承軌層以下部分主要框架柱截面1200mm×800mm；縱向框架梁截面450mm×900mm和400mm×900mm；縱向承軌梁截面的尺寸為400mm×900mm，橫向框架梁截800mm×1 200mm，軌行區(qū)板厚450mm。承軌層以上部分主要框架柱截面尺寸為450mm×600mm和600mm×600mm，框架梁主要截面尺寸為300mm×800mm和300mm×600mm。基礎(chǔ)選用承臺(tái)+直徑800mm鉆孔灌注樁。

2.2 設(shè)計(jì)荷載取值

對(duì)車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要荷載如下：

(1)建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組：第二組，地基無(wú)液化，地震作用設(shè)防烈度按7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g，計(jì)算模型中按0.15g；設(shè)計(jì)使用年限：100a。

(2)結(jié)構(gòu)自重：鋼筋混凝土容重取25kN/m3，鋼材容重取78.5kN/m3，樓面裝修層25kN/m3。

(3)列車荷載：按本線列車的最大軸重、軸距及近、遠(yuǎn)期中最長(zhǎng)的列車(6節(jié))編組確定。車輛型式采用國(guó)標(biāo)B2型車，列車編組為6輛。車輛定距10.4m，固定軸距2.2m，車輛最大軸重14t，最小軸重8t，計(jì)算時(shí)最大、最小軸重可按每節(jié)車長(zhǎng)任意排列組如圖5所示。地鐵車輛豎向荷載應(yīng)按其實(shí)際軸重和排列計(jì)算，并考慮沖擊力的影響，其沖擊系數(shù)取1+μ，μ宜按現(xiàn)行《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》規(guī)定的值乘以0.8。PKPM模型中列車荷載的取值采用承載軌道梁彎矩等效原則計(jì)算，每列列車兩條鐵軌正下方的縱向承軌梁線荷載取為35kN/m。

圖5 列車荷載布置圖

(4)制動(dòng)力或牽引力按列車豎向靜活載的15%計(jì)算。但當(dāng)與離心力或沖擊力同時(shí)計(jì)算時(shí)，制動(dòng)力或牽引力按列車豎向靜活載的10%計(jì)算[2-3]。

(5)列車的橫向搖擺力按相臨兩節(jié)車4個(gè)軸重的15%計(jì)，以集中力形式，作用于軌頂面處[2-3]。

(6)其余荷載標(biāo)準(zhǔn)值：基本雪壓：0.0kN/m2(100年重現(xiàn)期)；基本風(fēng)壓：0.95kN/m2(100年重現(xiàn)期)[4]；人群荷載：4kN/m2；設(shè)備荷載：8kN/m2;整體道床鋪裝(含道床和鐵軌)：16kN/m/線。

2.3 荷載工況

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157-2013)第10.3.1條，高架車站按其特性可能出現(xiàn)的荷載如表1所示，就其可能出現(xiàn)的最不利組合情況進(jìn)行計(jì)算。

表1 高架結(jié)構(gòu)荷載分類表[2]

進(jìn)行荷載組合時(shí)，應(yīng)遵循以下原則[2-3]：

(1)列車橫向搖擺力不與離心力、風(fēng)力組合；

(2)無(wú)縫鐵路縱向力不與列車制動(dòng)力或牽引力組合；

(3)僅考慮主力與一個(gè)方向的附加力進(jìn)行組合。

該工程中PKPM模型和Midas civil模型采用相同的荷載組合。

(1)主力組合

結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+附加應(yīng)力+混凝土收縮徐變+列車靜活載+列車豎向動(dòng)力作用+列車離心力+無(wú)縫鐵路縱向水平力+人群荷載。

(2)主力+附加力組合1

結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+附加應(yīng)力+混凝土收縮徐變+列車靜活載+列車豎向動(dòng)力作用+列車離心力+無(wú)縫鐵路縱向水平力+人群荷載+溫度影響力+橫向風(fēng)載。

(3)主力+附加力組合2

結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+附加應(yīng)力+混凝土收縮徐變+列車靜活載+列車豎向動(dòng)力作用+無(wú)縫鐵路縱向水平力+人群荷載+溫度影響力+橫向搖擺力。

(4)主力+附加力組合3

結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+附加應(yīng)力+混凝土收縮徐變+列車靜活載+列車豎向動(dòng)力作用+列車離心力+無(wú)縫鐵路縱向水平力+人群荷載+溫度影響力+縱向風(fēng)載+列車制動(dòng)力或牽引力。

(5)主力+特殊力組合1

結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+附加應(yīng)力+混凝土收縮徐變+列車靜活載+列車豎向動(dòng)力作用+列車離心力+無(wú)縫鐵路縱向水平力+人群荷載+斷軌力。

(6)主力+特殊力組合2

結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+附加應(yīng)力+混凝土收縮徐變+列車靜活載+列車豎向動(dòng)力作用+列車離心力+無(wú)縫鐵路縱向水平力+人群荷載+地震力。

2.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算及相關(guān)構(gòu)造措施

(1)鑒于Midas Civil模型中能夠比較準(zhǔn)確的輸入列車移動(dòng)荷載，因而該工程中PKPM模型中承軌梁在輸入線荷載后計(jì)算所得的內(nèi)力包絡(luò)值均應(yīng)不小于Midas Civil模型中承軌梁的內(nèi)力包絡(luò)值。

(2)采用PKPM軟件進(jìn)行車站結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算，多遇地震作用下車站結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)需滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)各項(xiàng)要求如表2所示[5]，同時(shí)根據(jù)構(gòu)件包絡(luò)內(nèi)力按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)[6]中的極限應(yīng)力法進(jìn)行構(gòu)件配筋驗(yàn)算。

表2 PKPM結(jié)構(gòu)模型主要計(jì)算指標(biāo)

(3)采用Midas Civil有限元軟件對(duì)車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，采用《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111-2006)[7](2009年版)中抗震參數(shù)進(jìn)行抗震驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)構(gòu)振型與周期以及構(gòu)件的包絡(luò)內(nèi)力，同時(shí)根據(jù)包絡(luò)內(nèi)力按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10002.3-2005)[8]中的容許應(yīng)力法進(jìn)行構(gòu)件配筋驗(yàn)算；車站Midas civil結(jié)構(gòu)模型前3個(gè)振型圖如圖6～14所示，各振型周期如表3所示,Midas Civi結(jié)構(gòu)模型計(jì)算的結(jié)構(gòu)周期值與PKPM模型計(jì)算值相比偏小，前三周期相差12%～20%，主要是由于在Midas Civil模型中，將夾層、站臺(tái)板、屋面鋼框架都建入進(jìn)去，結(jié)構(gòu)整體剛度相比PKPM要大，最終導(dǎo)致周期較小。

表3 Midas Civil結(jié)構(gòu)模型各振型周期

圖6 車站左邊部分模型1階振型圖

圖7 車站左邊部分模型2階振型圖

圖8 車站左邊部分模型3階振型圖

圖9 車站中間部分模型1階振型圖

圖9 車站中間部分模型1階振型圖

圖10 車站中間部分模型2階振型圖

圖11 車站中間部分模型3階振型圖

圖12 車站右邊部分模型1階振型圖

圖13 車站右邊部分模型2階振型圖

(4)車站框架梁、框架柱的配筋?、僦胁捎脴O限應(yīng)力法計(jì)算值和②中采用容許應(yīng)力法計(jì)算的最大值，框架梁、框架柱配筋構(gòu)造要求需同時(shí)滿足建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范和鐵路橋涵規(guī)范相關(guān)構(gòu)造要求，諸如框架梁、柱縱向鋼筋最小直徑選用及錨固長(zhǎng)度，最小配筋率，箍筋最小直徑和加密區(qū)間距，體積配箍率等均應(yīng)取兩種設(shè)計(jì)方法的較大值。

(5)車站采用樁基礎(chǔ)，根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.5-2005)規(guī)定，鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)樁徑不宜小于800mm，樁主筋直徑不宜小于16mm，主筋凈距不宜小于120mm，主筋保護(hù)層厚度不應(yīng)小于60mm，承臺(tái)厚度不宜小于1.5m。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，建議本文中2.3荷載工況全部考慮并施加到結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中，以保證車站結(jié)構(gòu)的安全。

(2)根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157-2013)中第10.2.1條，橋跨結(jié)構(gòu)梁體(跨度L≤30m)在列車靜活載作用下的豎向撓度不應(yīng)大于L/2000[2]，在框架結(jié)構(gòu)滿足各項(xiàng)抗震指標(biāo)的前提下，建議增大框架柱、框架梁、承軌梁剛度，增大軌行區(qū)板厚，直至承軌梁豎向撓度滿足要求。

(3)鑒于列車的牽引力、制動(dòng)力、橫向搖擺力和無(wú)縫線路軌道力及列車的沖擊力和震動(dòng)等，均直接作用在車站框架結(jié)構(gòu)上，對(duì)整個(gè)車站結(jié)構(gòu)都有一定的影響，為保證車站整體穩(wěn)定性，建議與軌行區(qū)相連接的框架柱柱下基礎(chǔ)均采用3樁以上的承臺(tái)，承臺(tái)厚度≥1.5m，樁基直徑≥800mm[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

橋建合一高架站房雖然能夠?qū)崿F(xiàn)站房建筑與橋梁使用功能性的統(tǒng)一，但橋建合一高架站房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作是一個(gè)工作量非常大并且非常復(fù)雜的過(guò)程，且結(jié)構(gòu)類型繁多，本文僅介紹了鋼筋混凝土純框架結(jié)構(gòu)的橋建合一高架站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)方法，但框架結(jié)構(gòu)橋建合一高架站房在地震作用下動(dòng)力彈塑性分析、在列車動(dòng)力作用下的響應(yīng)分析尚需進(jìn)一步研究，使橋建合一高架站房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加完善，給未來(lái)城市軌道交通中出現(xiàn)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)“橋建合一”高架站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。

[1] 朱丹.城市軌道交通工程概論[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2] GB50157-2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] TB10002.1-2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].

[4] GB50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[5] GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] GB50010-2010(2015年版),混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7] GB50111-2006(2009年版) 鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8] TB10002.3-2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9] TB10002.5-2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

The Structural Design of an Elevated Station of the Combination of Bridge and Building in Urban Rail Transit

LIUXichao

(China Railway Si yuan Survey And Design Group Co.,Ltd, Wuhan 430063)

With the rapid development of urban rail transit, how to build a safe, economic, beautiful, comfortable elevated metro station which is the combination of bridge and building has gradually become an important research direction for the structure designer. In this paper, taking the structural analysis and design of Jimei School Village elevated station of Xiamen Metro Line 1project for example, design points of PKPM and Midas civil structural model, load values, load cases, structural calculation, structural measures of elevated metro station of combination of bridge and building were mainly introduced.

Combination of bridge and building; Elevated metro station; Load cases; Structural calculation

劉習(xí)超(1984.4- ),男，工程師。

E-mail:liuxichao08hit@126.com

2017-03-03

TU318

A

1004-6135(2017)07-0081-05