毛遠文，任 科，劉志軍

（中鐵二院貴陽勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽550002）

1 工程概況

貴陽市軌道交通1 號線西延線工程“橋建合一”竇官高架車站采用大懸臂蓋梁獨柱墩的高架結(jié)構(gòu)。車站位于貴陽市觀山湖區(qū)，沿金朱西路呈東西向布置，為地面三層側(cè)式高架站，車站全長120.0 m，寬22.0 m，南北兩側(cè)各設(shè)置1 個出入口天橋。

該高架車站具有縱向墩間距大、站內(nèi)設(shè)備重的顯著特點，空間框架體系受混凝土收縮、徐變及溫度力影響明顯。設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵是大懸臂蓋梁獨柱橋墩，尤其是蓋梁的最大懸臂長度超過11.6 m，國內(nèi)尚不多見。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

竇官高架車站結(jié)構(gòu)采用如下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計。

（1）區(qū)間高架結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足耐久性要求。橋梁主要承重結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足正常使用要求100 a。

（2）設(shè)計速度：最大設(shè)計時速80 km/h。

（3）正線數(shù)目：雙線。線間距5.0 m，最小曲線半徑：350 m。該橋位于R=800 m 的緩和曲線及直線上。

（4）軌距：1435 mm。

（5）車型及軸重：采用B 型車，單軸重140 kN。

（6）牽引種類：電力。

（7）全線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)按一次鋪設(shè)無縫線路。橋上無縫線路設(shè)計按 《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》（TB 10015—2012）執(zhí)行。

（8）環(huán)境：一般大氣條件下無防護措施的地面結(jié)構(gòu)，環(huán)境類別為碳化環(huán)境，作用等級為T2。

（9）地震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。高架站抗震設(shè)防類別為B 類，抗震設(shè)防措施等級為7 級。

3 高架車站結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

該高架車站采用“橋建合一”結(jié)構(gòu)體系，橋梁跨度采用8×15 m 簡支梁布設(shè)（見圖1）。車站墩柱采用“干”字型橋墩，頂層蓋梁支撐軌道梁及站臺板，底層蓋梁支撐站廳層，并與站房縱梁現(xiàn)澆在一起，主要承重結(jié)構(gòu)為獨柱墩雙層蓋梁框架體系（見圖2）。結(jié)合該線高架梁型情況，軌道梁選用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁體支承于橋墩蓋梁上。軌道梁都采用雙線單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁。箱梁采用斜腹板飛雁式，箱梁翼緣根部及腹板、箱底交界處采用圓弧倒角處理，保證梁體外觀的線條流暢。該橋箱梁頂寬統(tǒng)一采用8.2 m，梁高1.2 m。

圖1 竇官高架車站立面示意圖（單位：mm）

蓋梁、墩柱、基礎(chǔ)為橋梁結(jié)構(gòu)和房建結(jié)構(gòu)共有，橋梁橫向框架通過房建結(jié)構(gòu)縱向梁板整體剛結(jié)，形成空間框架梁格體系?！案伞弊侄丈稀⑾聦由w梁均采用全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，下墩柱平均墩高為6.0 m，上墩柱墩高為3.05 m。車站結(jié)構(gòu)在3 號和5 號墩各設(shè)一道橫向斷縫，縫寬10 cm，將車站分成三聯(lián)。

圖2 竇官高架車站典型橫斷面圖

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

4.1 收縮、徐變、溫度力的影響

“橋建合一”高架車站中，一般都為多次超靜定結(jié)構(gòu)體系?；炷恋氖湛s、徐變，以及升降溫對結(jié)構(gòu)的影響非常明顯。收縮、系統(tǒng)整體降溫使車站兩端墩柱底部產(chǎn)生巨大的彎矩，雖然混凝土徐變效應(yīng)在一定程度上能對其產(chǎn)生一定的抵消作用，但三者的綜合作用仍是墩柱設(shè)計的控制因素。再者，混凝土徐變及系統(tǒng)整體升溫對墩底的效應(yīng)是同向的，在含有以上兩項的組合中，車站端頭墩的反向彎矩比較大。加上車站在受到以上作用力的同時，還可能受到風(fēng)荷載、車輛制動力等縱向力的作用，車站的橋墩將是一個雙向受力的構(gòu)件。當(dāng)車站結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理時，很容易導(dǎo)致靠近車站端頭處的墩柱不能滿足規(guī)范要求；同時，因為墩底外力的增加給車站基礎(chǔ)設(shè)計帶來較大的困難。因此，設(shè)計此類車站結(jié)構(gòu)時，必須注意盡量減小收縮、徐變，以及溫度力對車站結(jié)構(gòu)的影響。

采用MIDAS 有限元軟件建立空間計算模型，對混凝土收縮、徐變，以及溫度力對空間剛架的“橋建合一”高架車站的影響進行分析。車站結(jié)構(gòu)按如下方式進行模擬：車站墩柱、橋梁蓋梁、軌道梁、房建結(jié)構(gòu)的縱橫梁按空間梁單位模擬；車站的站廳樓板、站臺樓板等采用6 自由度的彈性板單元模擬（見圖3）。

圖3 竇官高架車站空間有限元模型

墩柱高度較小，剛度較大的且縱橫梁固結(jié)的車站，溫度力通常成為控制設(shè)計的主要因素。墩柱的截面大小對溫度力有著非常明顯的影響。加大墩柱的截面尺寸能夠提高墩柱本身的承載能力，但同時墩柱剛度的增加，從而導(dǎo)致墩柱溫度力的增加。圖4 為墩柱在不同截面尺寸、不設(shè)伸縮縫情況下，主力加附加力的墩底順橋向最大彎矩圖。

圖4 墩底順橋向彎矩圖（主力+ 附加力）（單位：kN·m）

在車站3 號墩和5 號墩分別設(shè)置一處伸縮縫，將車站分成三聯(lián)。圖5 為設(shè)置變形縫下的主力加附加力工況下的墩底順橋向最大彎矩圖。

圖5 墩底（3.5 m×2.0 m）順橋向彎矩圖（主力+ 附加力）（單位：kN·m）

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，空間框架體系的車站，若不設(shè)置伸縮縫，則結(jié)構(gòu)超靜定聯(lián)長太長，混凝土的收縮、徐變及溫度荷載對車站兩端墩柱底部產(chǎn)生較大的彎矩。通過設(shè)置伸縮縫后，墩底彎矩減小約65%，有效地減小了收縮、徐變及溫度所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

4.2 大懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計

作為高架車站獨柱墩主要承載構(gòu)件的蓋梁，由于站臺和站廳等建筑要求，一般懸臂較大，且荷載種類和分布狀態(tài)較為復(fù)雜。蓋梁分為上層蓋梁和下層蓋梁。上層蓋梁承受站臺層、軌道梁、屋架荷載、列車荷載等；下層蓋梁主要承受站廳層樓面荷載、設(shè)備、電纜夾層等。上層蓋梁最大懸臂長度為11.6 m，下層蓋梁最大懸臂長度為11.0 m。

為抵抗外荷載，鋼束在蓋梁根部靠近上緣布置，接近懸臂端逐漸下彎錨固。下緣鋼束布置形式可采用S 形布置和直線形布置（見圖6、圖7）。

圖6 蓋梁預(yù)應(yīng)力S 形線形布置圖（單位：m）

圖7 蓋梁預(yù)應(yīng)力直線線形布置圖（單位：m）

第一種鋼束線形布置，由于鋼束較貼近上緣，蓋梁下緣在施工階段將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。第二種鋼束線形布置，可較好地解決下緣拉應(yīng)力的問題，但由于下排鋼束放置位置較低，較第一種方式需要增加鋼束的配置量。

采用DRbridge 結(jié)構(gòu)計算軟件進行分析計算。車站的施工工藝為從下往上，先施工下墩柱和蓋梁、站廳層梁板，待蓋梁混凝土強度達到設(shè)計要求后，對稱張拉下層蓋梁鋼束。站廳層搭設(shè)支架，施工上墩柱和蓋梁、站臺層梁、板、柱等，待蓋梁混凝土強度達到設(shè)計要求后，對稱張拉上層蓋梁鋼束，最后施工軌道梁。鋼束張拉均按一次到位。圖8 為上層和下層蓋梁端部錨固區(qū)布置圖。

圖8 上層和下層蓋梁端部錨固區(qū)布置圖（單位：cm）

表1 為施工階段蓋梁上下緣應(yīng)力表，表2 為最不利工況下蓋梁應(yīng)力及強度計算結(jié)果一覽表。

從表1 可知，采用S 形鋼束布置，一次張拉到位，蓋梁下緣最小拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求，方便了施工，并避免鋼束直線布置而導(dǎo)致鋼束配置的浪費。表2 表明在最不利工況下，上、下層蓋梁正截面強度最小安全系數(shù)和應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

表1 施工階段蓋梁上下緣應(yīng)力表 單位：MP a

表2 最不利工況下蓋梁應(yīng)力及強度計算結(jié)果一覽表

根據(jù)地鐵設(shè)計規(guī)范[1]，“橋-建”組合結(jié)構(gòu)體系懸臂端計算撓度限值為L0/600；L0為懸臂構(gòu)件的計算跨度，參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）中L0為實際懸臂長度的2 倍[2]。

在恒荷載、列車活載、人群荷載、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)及風(fēng)荷載最不利荷載組合下，大懸臂蓋梁最大撓度（見表3）小于規(guī)范限值。

表3 最不利工況下蓋梁懸臂端部豎向最大撓度表 單位：mm

5 結(jié) 論

目前我國高架車站的建設(shè)越來越多，但對其結(jié)構(gòu)的研究尚未形成一個完整、成熟的體系，尤其對于受力和傳力方式都較為復(fù)雜的“橋建合一”的車站結(jié)構(gòu)，仍有較大的研究空間。本文對空間框架體系的竇官高架車站中的溫度、徐變，以及溫度力的影響進行了分析，并對大懸臂蓋梁鋼束的配置、應(yīng)力、強度、變形等方面做了一定的計算和分析，得出以下結(jié)論：

（1）混凝土的收縮、徐變及溫度荷載對空間框架體系的車站兩端墩柱底部產(chǎn)生較大的彎矩。通過設(shè)置伸縮縫后，能有效地減小收縮、徐變及溫度所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

（2）竇官高架車站蓋梁鋼束采用S 形布置，一次張拉到位，蓋梁下緣最小拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。若應(yīng)力超標(biāo)，可采用分批次張拉或直線形鋼束布置。

（3）對于樓板結(jié)構(gòu)亦可設(shè)置后澆帶，通過采用后澆帶的施工工藝，對車站進行分段澆注，讓一部分收縮、徐變發(fā)生在結(jié)構(gòu)合龍前，從而減小混凝土收縮、徐變所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。