雷少鑫 周永禮 魯雪冬

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 610036, 成都)

城市軌道交通高架車站分為建橋分離、建橋組合及建橋合一等3種結構型式[1]。其中,建橋合一高架車站由于設計施工方便、經(jīng)濟適用、乘客體驗佳等優(yōu)點,逐漸成為高架車站的首選設計。在實際設計中,建橋合一高架車站需同時滿足橋梁規(guī)范和建筑規(guī)范的規(guī)定。該車站具有空間框架結構體系復雜、體量大、超靜定次數(shù)多的特點,導致溫度與收縮徐變等因素對其影響較大。目前設計界對此問題普遍的解決方式為采用伸縮縫、直接加大結構尺寸或加強配筋,但這些方式在實際工程中暴露出了耐久性、經(jīng)濟性差等問題。

本文對溫度與收縮徐變等因素引起車站結構內力增大的特點進行深入剖析。以深圳地鐵6號線(以下簡稱“6號線”)寬9 m的島式車站為例,建立了車站有限元模型,提出了3種既能保證耐久性、經(jīng)濟性,又能解決溫度與收縮徐變等因素對長聯(lián)無縫高架車站結構影響大的方案。結果可為城市軌道交通建橋合一高架車站的設計提供參考,對采用長聯(lián)無縫混凝土結構的工民建筑設計也具有借鑒意義。

1 建橋合一高架車站結構數(shù)值模擬分析

綜合收集各條線路資料發(fā)現(xiàn),6號線高架車站為目前不設縫且聯(lián)長較長的車站,聯(lián)長為144 m。以6號線建橋合一高架車站——石巖站為例,采用MIDAS軟件建立了1座長度為144 m的高架車站模型(見圖1)。橋墩及上部構件立面圖見圖2。車站的基礎、梁、柱結構均采用空間梁單元模擬,站臺結構、站廳的樓面板采用薄板單元模擬。模型中模擬了樓扶梯、電梯所挖空洞,對于其他較小孔洞不予模擬。

圖1 6號線高架車站有限元模型

圖2 橋墩及上部構件立面圖

6號線高架車站的主要承重結構為13榀桁架,桁架間距為12 m,全部采用混凝土結構現(xiàn)澆施工。由于地質條件對樁長的影響使各墩之間剛度差異較大,因此需依據(jù)剛度相等原則將樁基礎換算成等效門式剛架。橋墩和蓋梁,以及立柱與柱頂橫梁之間均采用剛臂相連。

在同時考慮來自建筑的結構自重、人群荷載、設備荷載,以及來自橋梁結構自重、行車荷載的作用下[2],求出上部構件分別在主力、主力+附加力、主力+地震力作用下的墩底彎矩和軸力。依據(jù)TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》、GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》要求對高架車站結構進行檢算。主力+附加力作用下墩柱順橋向彎矩圖見圖3。

圖3 主力+附加力作用下墩柱順橋向彎矩圖

由圖3可見:本橋端頭第1軸和第13軸控制墩柱彎矩分別達到了11 995.2 kNm和11 250.3 kNm,墩柱的鋼筋與混凝土應力均難以滿足規(guī)范要求,需對結構進行優(yōu)化。由此可見:車站兩端墩柱受收縮徐變和溫度的作用明顯,其應力與配筋將是本設計的控制要點[3]。

2 建橋合一高架車站結構設計與施工優(yōu)化

2.1 設計優(yōu)化

從設計角度提出以下3種優(yōu)化方案:

1) 保持橋墩截面型式,加大靠近車站兩端墩柱的承臺埋深,在承臺與地面之間保留地下空間或采用碎石回填,從而減小橋墩剛度。同時增加橋墩頂部位移以釋放結構應力。該方法的缺點在于增加挖方量,形成的深基坑同時也會增加基坑支護等臨時措施,造成工程浪費。因此當車站建筑有地下室等空間需求時,則有較高的實用性,如在地下設置電纜設備夾層等。墩柱承臺埋深可按具體要求設置。

2) 改變橋墩截面型式,采用順橋向厚0.5 m、間距0.3 m的雙薄壁墩。在橋墩截面大小一致的情況下,該方法可極大地減小橋墩剛度,增加橋墩頂部位移以釋放結構應力。本方法對車站造型有一定影響,需要結合建筑、景觀的要求進行選擇。

3) 改變連接類型,將橋墩與蓋梁改為鉸連接?？蓪?shù)個靠近端頭的墩柱改為鉸連接墩柱。橋墩柱體為鋼筋混凝土實體柱,在柱體頂部、底部與其他混凝土構件相連接的位置設置一段無需更換的混凝土鉸[4],通過錨固鋼筋與上下構件連接。該鉸在橋墩頂部和底部垂直于車站縱向布置(見圖4)。

圖4 橋墩蓋梁混凝土鉸連接

混凝土鉸能夠產(chǎn)生一定量的縱向轉角和位移,可將上部傳遞而來的縱向彎矩通過轉角釋放?；炷零q上的自重荷載的豎向分力,以及部分剪力由鉸傳遞至墩柱和承臺,還可以通過調整鉸的限制位移量來調整蓋梁傳遞至橋墩的彎矩。若同時在橋墩底部采用鉸連接,則可完全釋放彎矩。

2.2 施工優(yōu)化

從施工的角度提出以下兩種優(yōu)化方案:

1) 在施工時將車站分節(jié)澆筑,設置后澆帶。無縫高架車站結構為多次超靜定結構,聯(lián)長較長,溫度和混凝土的收縮、徐變對結構的影響較大。在施工時可設置后澆帶,對車站進行分段澆筑,使得一部分收縮、徐變發(fā)生在結構合攏前,以減小混凝土收縮對結構的影響。對比分析車站按整體澆注與設置后澆帶等兩種條件下墩底的主力與溫度力組合的內力發(fā)現(xiàn),設置后澆帶能有效減小收縮、徐變所產(chǎn)生的結構內力。該方式簡便、易用、效果顯著,已在部分實際工程應用,經(jīng)比較可減小15%的墩柱彎矩[5]。

2) 采用模塊化裝配式施工。目前裝配式施工已在連續(xù)剛構橋梁和建筑中有廣泛應用,如廣州地鐵21號線,但在城市軌道交通高架車站中還未見實例。該施工方法在長聯(lián)無縫高架車站中嘗試應用有以下優(yōu)點:第一,可將施工階段產(chǎn)生的收縮徐變效應提前釋放,從而達到減小彎矩的目的;第二,由于各模塊采用高彈性能的結構膠連結,溫度作用產(chǎn)生的應力可在各模塊間釋放,使其不會傳導至墩柱,同時亦無強彎矩作用。

3 傳統(tǒng)設計缺陷實例分析及結果驗證

針對溫度與收縮徐變對長聯(lián)無縫建橋合一高架車站影響大的問題,目前設計界的普遍做法或研究集中在如下3種措施上:

1) 設置伸縮縫以減小聯(lián)長,從而減小溫度與收縮徐變的影響[6],但該措施存在如下缺點:伸縮縫對結構的抗震性能有一定的提升,但作用十分有限;設置伸縮縫的缺點明顯,一則破壞了車站結構的整體性,二則伸縮縫易老化,存在漏水、沉陷等風險,后期養(yǎng)護比較困難,需要定期更換,對安裝質量要求較高,嚴重時會影響車站運營[7]。

2) 通過施加豎向預應力來加強墩柱結構抗彎能力,也可以抵抗溫度和收縮徐變帶來的影響。但豎向預應力缺點明顯,其對材料、施工精度控制要求高,施工質量不易保證,給車站結構安全帶來了隱患。

3)加大墩柱截面尺寸及加強墩柱配筋,以抵抗溫度與收縮徐變帶來的彎矩。該方法是最為直接的解決辦法,但其問題也很突出。一般設計中,車站墩柱結構為釋放彎矩往往需要盡量減小剛度,設計開始時墩柱會采用較小的截面尺寸,但較小的截面尺寸難以抵抗強彎矩。為了抵抗強彎矩,會調大墩柱截面,并加強墩柱配筋,而加大墩柱截面尺寸造成的剛度增強會進一步加大彎矩,形成惡性循環(huán),極易造成工程浪費,導致結構的經(jīng)濟性變差。在以往設計中,大量鋼筋混凝土被用來抵抗溫度荷載,在聯(lián)長為120 m的情況下,梁在有溫度荷載作用下的配筋要比無溫度荷載作用下的配筋增大約40%,如重慶某城市軌道交通線路和南京某城際鐵路車站[6]。

鑒于傳統(tǒng)設計方法在實際工程中已暴露出的上述問題,為了避免車站結構整體性被破壞,同時方便后期運營維護,保證設計經(jīng)濟性,本文優(yōu)化方案均采用無縫設計。采用MIDAS軟件建立了不同優(yōu)化方案的有限元模型。不同優(yōu)化方案下的墩柱控制彎矩,如表1所示。由表1可見:加深承臺埋深2 m,增加墩高減小橋墩剛度,可減少第13軸的墩底控制彎矩約22%;采用雙薄壁墩大幅減小了橋墩剛度,可減少第13軸墩底的控制彎矩約46%;墩頂采用混凝土鉸支撐,釋放了上部傳遞至墩柱的彎矩,可減少第13軸的控制彎矩約13%。在6號線的實際應用中,結合建筑地下電纜夾層的需求:設計時,通過加深承臺埋深,減小了橋墩剛度,實現(xiàn)了減少橋墩控制彎矩的作用;施工時,通過澆筑3道后澆帶,也減小了混凝土收縮對車站結構的影響。本文提出的方案可依據(jù)實際情況,結合建筑、景觀、車站結構、施工要求及基礎剛度綜合選用,以達到優(yōu)化高架車站結構的目的。

表1 不同方案下的墩柱控制彎矩

4 結語

建橋合一無縫長聯(lián)高架車站涉及的專業(yè)多、設計接口多、超靜定次數(shù)多,在空間上各專業(yè)之間極容易產(chǎn)生相互矛盾的設計,且在結構受力上荷載傳遞關系較為復雜,因此設計時需多方驗證,尤其是在管線預埋和結構荷載傳遞上。高架車站下方多為城市道路,基坑設計時應考慮道路超載作用下的側壓力,同時部分基坑埋深較大,需考慮合適的基坑支護措施。設計之前應做好資料收集與解讀,對荷載進行核實,并注意施工期間的空間關系,并采取相應的臨時措施。

受地質情況的影響,橋墩綜合剛度差異較大,計算時需精確驗算基礎剛度,以確保獲得更為準確的內力。設計時若錯誤地模擬了地質情況,或直接采用剛接,將難以得到準確的結果,甚至與實際結果相差甚遠,因此,前期勘察及地質參數(shù)應盡量準確,可采用多方法相互驗證來確定高架車站地基的模型。

建橋合一無縫聯(lián)長高架車站由于其結構復雜、超靜定次數(shù)多的特性,存在溫度與收縮徐變對其影響較大的問題。采用加大承臺埋深、薄壁墩和混凝土鉸是在保證車站整體性的情況下,從設計角度優(yōu)化車站結構的方法。而采用分段澆筑合攏或模塊化裝配式施工,是從施工角度解決該問題的方法。這些解決方法不僅對城市軌道交通建橋合一無縫聯(lián)長高架車站的后續(xù)設計提供參考,對其他長聯(lián)無縫的工民建筑也有借鑒意義。