廖宇飚

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

近年來(lái),城市軌道交通進(jìn)入快速發(fā)展的階段,跨座式單軌以其靈活性、經(jīng)濟(jì)性和適用性等優(yōu)勢(shì),已逐步成為二、三線城市的主要軌道交通制式[1]?？缱絾诬壐呒芫€路一般沿城市主干道設(shè)置,高架車站位于人流和交通密集區(qū)域,“橋建合一”獨(dú)柱大懸臂高架車站由于其良好的景觀性和道路的適應(yīng)性被廣泛采用[2]。

目前,國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)獨(dú)柱大懸臂高架車站體系進(jìn)行研究。聶建國(guó)等通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算分析相結(jié)合的方法,認(rèn)為采用獨(dú)柱鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系可有效減小構(gòu)件尺寸,減小結(jié)構(gòu)自重和地震作用[3];趙丹等基于工程實(shí)例,通過(guò)有限元計(jì)算分析的方法,對(duì)獨(dú)柱車站關(guān)鍵構(gòu)件的抗震性能進(jìn)行研究[4];潘寧等基于工程實(shí)例,采用動(dòng)力彈塑性非線性分析方法,分析該結(jié)構(gòu)體系在罕遇地震作用下構(gòu)件的塑性發(fā)展過(guò)程及塑性狀態(tài),并給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)加強(qiáng)建議[5];史振云等以越南河內(nèi)城市軌道交通建設(shè)項(xiàng)目吉靈-河?xùn)|線為例,探討該體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)[6];楊開(kāi)屏等基于工程實(shí)例,采用對(duì)比分析的方法,探討?yīng)氈囌径罩突A(chǔ)分別采用建筑相關(guān)規(guī)范和鐵路橋涵規(guī)范設(shè)計(jì)的異同[7]。

不難看出,該結(jié)構(gòu)體系在順軌向?yàn)閱伍蚣芙Y(jié)構(gòu),在橫軌向?yàn)樯洗笙滦〉亩嚅?dú)柱懸臂結(jié)構(gòu),依靠順軌道梁和樓板連接,其側(cè)向剛度弱,抗震冗余度較低[8]。因此,若按常規(guī)結(jié)構(gòu)“小震彈性”的思路進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)的安全性會(huì)存在一定的隱患。另外,高架車站涉及鐵路、城市軌道交通兩個(gè)領(lǐng)域的建筑、結(jié)構(gòu)、橋梁等多個(gè)交叉專業(yè),對(duì)于該類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),不同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)存在差異,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)存在一定困難。

針對(duì)上述問(wèn)題,以多個(gè)工程實(shí)例為背景,利用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析,對(duì)“橋建合一”獨(dú)柱大懸臂高架車站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和若干重要設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行研究,以期為類似工程的設(shè)計(jì)提供一些有益的思路。

2 若干設(shè)計(jì)要點(diǎn)的闡述和討論

2.1 結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)及材料的選擇

(1)結(jié)構(gòu)典型布置特點(diǎn)

獨(dú)柱大懸臂高架車站一般位于道路中間,橫斷面呈“T”形或“干”形,首層為架空層,2 層為站廳層,3 層為“軌道層+站臺(tái)層”,其上是鋼結(jié)構(gòu)屋蓋,順軌向柱距一般為13.5～16 m,橫軌向懸挑長(zhǎng)度一般為7～12 m,車站平面尺寸為(14～22) m×(60～80) m,典型的高架車站三維模型見(jiàn)圖1。

圖1 典型高架獨(dú)柱大懸臂高架車站三維模型

(2)結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)分析

獨(dú)柱大懸臂高架車站結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬比大,其順軌向和橫軌向剛度差異大,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯?！吧洗笙滦?、頭重腳輕”的高架形式和長(zhǎng)懸臂導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)在水平、豎向地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)較大,結(jié)構(gòu)橫軌向?yàn)殪o定的獨(dú)柱懸臂結(jié)構(gòu),缺乏多道抗震防線,冗余度較差,在地震作用下,墩柱一旦發(fā)生破壞,結(jié)構(gòu)會(huì)在重力二階效應(yīng)的影響下迅速倒塌。

(3)材料的選擇

在大學(xué)階段，寬松的環(huán)境使大學(xué)生被壓抑的自我意識(shí)猛然反彈，容易陷入自負(fù)與自卑兩種誤區(qū)，自我認(rèn)識(shí)片面單一，難以妥善處理自己與外部環(huán)境之間的關(guān)系。尤其是在缺乏真正有效的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)的情況下，由于很難切身體驗(yàn)職場(chǎng)的真實(shí)狀態(tài)，因此，一旦直接面對(duì)社會(huì)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，就覺(jué)得自己學(xué)無(wú)所長(zhǎng)，立身無(wú)本。

由于獨(dú)柱大懸臂高架車站體系缺乏多道抗震防線,需通過(guò)增大構(gòu)件尺寸來(lái)獲取安全系數(shù)儲(chǔ)備。當(dāng)采用混凝土結(jié)構(gòu)形式時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和延性不如鋼結(jié)構(gòu),構(gòu)件截面較鋼結(jié)構(gòu)大,構(gòu)件截面和自重的增加反過(guò)來(lái)又會(huì)引起地震作用增大。因此,在高烈度地區(qū),構(gòu)件截面和地震作用之間會(huì)形成惡性循環(huán),材料的利用效率不高。而鋼—混組合結(jié)構(gòu)兼具混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),通過(guò)鋼管約束提高混凝土材料的承載能力與延性,通過(guò)混凝土的填充改善鋼管的穩(wěn)定問(wèn)題,可有效減小結(jié)構(gòu)件尺寸,減輕結(jié)構(gòu)自重,降低地震作用,提高抗震性能[9]。

表1 為某“T”形高架車站鋼-混組合結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸對(duì)比。由表1 可知,順軌向柱距稍大。通過(guò)分析對(duì)比可以看出,鋼-混組合高架車站結(jié)構(gòu)的重力荷載代表值為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的55.8%,可大幅減小地震響應(yīng);鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的柱墩截面積更小,僅為鋼筋混凝土柱的46%。盡管鋼管混凝土組合高架車站結(jié)構(gòu)材料造價(jià)略高,但其裝配化程度高,施工免支模等優(yōu)點(diǎn)可有效減少濕作業(yè),大幅縮短施工周期,綜合造價(jià)優(yōu)異。

表1 某“T”形高架車站主要構(gòu)件尺寸

綜合以上的分析,在抗震設(shè)防烈度7 度(0.15g)以上的高烈度地區(qū),采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)可獲得更優(yōu)的性價(jià)比。

2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和抗震設(shè)計(jì)方法

(1)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇

“橋建合一”的結(jié)構(gòu),對(duì)于直接承受列車動(dòng)荷載的軌道梁、支承軌道梁的橫梁、支承橫梁的墩柱及基礎(chǔ),應(yīng)按國(guó)家鐵路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行荷載組合和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10]。

因此,對(duì)于“橋建合一”獨(dú)柱大懸臂高架車站,可先整體按國(guó)家民用建筑相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)于軌道梁、支承軌道梁的橫梁、支承橫梁的墩柱及基礎(chǔ),應(yīng)按國(guó)家鐵路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

(2)抗震設(shè)計(jì)方法

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出所有房屋建筑均應(yīng)達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)[11];《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》和《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》也引入能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則來(lái)確保結(jié)構(gòu)的抗震性能。目前在民用建筑設(shè)計(jì)中,對(duì)于常規(guī)建筑一般采用小震彈性設(shè)計(jì)思路[12-13]。

獨(dú)柱大懸挑高架車站為特殊結(jié)構(gòu),在強(qiáng)震作用下,橫軌向的抗倒塌能力很弱,鑒于高架車站在軌道交通中的重要性,應(yīng)采用比小震彈性要求更高的抗震性能化設(shè)計(jì)。考慮社會(huì)效益、構(gòu)件重要性、經(jīng)濟(jì)因素,結(jié)合概念設(shè)計(jì)中“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”和“多道防線”的理念,整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 抗震性能目標(biāo)

由表2 可知,多遇地震可采用彈性分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算,采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算,設(shè)防地震、罕遇地震可采用彈塑性時(shí)程分析法進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3 基礎(chǔ)模擬方式的選取

民用建筑設(shè)計(jì)中,計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)時(shí),一般將基礎(chǔ)頂面設(shè)為剛接,必要時(shí)也可采用等效彈簧模擬的模型進(jìn)行計(jì)算;而城市軌道交通規(guī)范規(guī)定,高架車站承受列車荷載的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)地震作用基準(zhǔn)面宜取在樁基礎(chǔ)的樁尖位置,可采用線性彈簧模擬樁側(cè)摩阻和樁端摩阻對(duì)樁的約束作用,考慮樁土相互作用。

目前,對(duì)高架獨(dú)柱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)模擬已有相關(guān)研究。其中,有學(xué)者認(rèn)為,在罕遇地震作用下,橫軌向兩種方案的基底剪力、層間位移和層間位移角基本一致;順軌向考慮樁土作用模型的基底剪力為剛接模型的120%,最大層間位移和層間位移角為剛接模型的2倍,單個(gè)墩柱的內(nèi)力和塑形損傷均大于剛接模型;也有學(xué)者認(rèn)為,考慮樁土共同作用,會(huì)使結(jié)構(gòu)體系的自振周期延長(zhǎng)、變形反應(yīng)加大,且結(jié)構(gòu)的自振周期及變形反應(yīng)隨著基礎(chǔ)約束的減弱而增大;結(jié)構(gòu)橫軌向兩種方案的基底剪力比較接近,順軌向的基底剪力隨著基礎(chǔ)約束剛度的減弱增加10%～20%;由于扭轉(zhuǎn)效應(yīng),基礎(chǔ)約束剛度的減弱對(duì)中部構(gòu)件的內(nèi)力影響較小,對(duì)邊部構(gòu)件內(nèi)力的增加影響較大[14-15]。

當(dāng)考慮樁土相互作用時(shí),隨著基礎(chǔ)約束剛度的削弱,高架獨(dú)柱結(jié)構(gòu)的層間位移和基底剪力都有不同程度的增加,且邊部構(gòu)件的內(nèi)力和變形增幅較大。從結(jié)構(gòu)的安全可靠性出發(fā),設(shè)計(jì)時(shí)宜考慮樁土相互作用,地震作用基準(zhǔn)面取在樁基礎(chǔ)的樁尖位置,土彈簧剛度可參考相關(guān)規(guī)范進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

2.4 蓋梁的次彎矩和扭矩

獨(dú)柱高架車站站廳層大懸挑蓋梁除了承受本層的荷載外,還承受上部軌道層、站臺(tái)層、屋蓋傳遞的豎向荷載;在順軌向地震作用下,大懸挑蓋梁與順軌向框架梁、樓板共同承擔(dān)傳遞順軌向水平地震作用的功能,其受力特點(diǎn)與普通結(jié)構(gòu)的懸臂梁有所差異。

圖2 為某“T”形混凝土高架獨(dú)柱車站,懸臂蓋梁每側(cè)懸挑8 m,在8 度罕遇地震作用下的彎矩見(jiàn)圖2。由圖2 可知,在順軌向罕遇地震作用下,懸挑蓋梁根部的次彎矩為12 704 kN·m,扭矩為18 937 kN·m,較橫軌向地震作用下的主彎矩21 529 kN·m 略小。通過(guò)進(jìn)一步分析可知,順軌道框架梁的抗彎線剛度與懸挑蓋梁根部的次彎矩和扭矩密切相關(guān),增大順軌道框架梁的抗彎剛度可有效減小懸挑蓋梁根部的次彎矩和扭矩。在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)適當(dāng)提高順軌向框架梁的截面,以減小懸挑蓋梁的次彎矩和扭矩,懸臂蓋梁應(yīng)按雙向受彎,受剪、受扭復(fù)合狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

圖2 罕遇地震下懸挑蓋梁彎矩

2.5 鋼屋蓋對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響

在方案研究階段,由于屋蓋形式的不確定性,往往采取估算鋼屋蓋荷載的方式,并將其加在站臺(tái)節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化方式進(jìn)行計(jì)算分析,屋蓋模型見(jiàn)圖3。

圖3 “T”形有、無(wú)鋼屋蓋模型

表3 為某“T”形組合高架車站的兩種方案的整體計(jì)算結(jié)果。由表3 可知,由于鋼屋蓋較下部結(jié)構(gòu)剛度小,故帶鋼屋蓋方案的橫軌向、順軌向、扭轉(zhuǎn)的1 階振型均包含上部鋼結(jié)構(gòu)的反應(yīng),對(duì)應(yīng)周期均較無(wú)鋼屋蓋的方案大,振型參與質(zhì)量系數(shù)小;在地震作用下,不帶鋼屋蓋方案的基底剪力較帶鋼屋蓋方案明顯增大,其中,橫軌向增大58%,順軌向增大21%,兩種方案的橫軌向、順軌向、扭轉(zhuǎn)的1 階振型和基底剪力有顯著的差異。綜上所述,方案研究階段,采用不帶鋼屋蓋方案進(jìn)行試算安全可行;在后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程中,從經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性角度出發(fā),應(yīng)采取帶鋼屋蓋的整體模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表3 有、無(wú)鋼屋蓋模型整體計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)“橋建合一”獨(dú)柱大懸臂高架車站這種特殊復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系,通過(guò)調(diào)查研究、算例計(jì)算對(duì)比分析等手段,對(duì)其體系特點(diǎn)和若干設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行研究,對(duì)某些規(guī)程尚未明確規(guī)定的問(wèn)題,也盡量給出設(shè)計(jì)建議,主要結(jié)論如下。

(1)在抗震設(shè)防烈度7 度(0.15g)以上的高烈度地區(qū),采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)可獲得更優(yōu)的性價(jià)比。

(2)從結(jié)構(gòu)的安全可靠出發(fā),計(jì)算模型中基礎(chǔ)的模擬宜考慮樁土相互作用的影響;應(yīng)采用比小震彈性更高要求的抗震性能化設(shè)計(jì)。

(3)鋼屋蓋對(duì)整體計(jì)算結(jié)果有較大的影響,懸挑蓋梁根部的次彎矩和扭矩的影響不容忽視。