杭州東站線下工程結(jié)構(gòu)設計

文功啟

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司橋梁處，武漢 430063)

1 工程概況

近年來伴隨著我國客運專線的發(fā)展，新型站房的設計理念發(fā)生了很大的變化。作為城市的綜合交通樞紐，按照以人為本的宗旨，直上型高架站房成為了設計的首選。上海虹橋站、南京南站以及西安站采用了建橋合一的結(jié)構(gòu)形式，此種結(jié)構(gòu)與軌道層以上的建筑相呼應，整體性好，且能充分利用空間布局，視覺簡潔通透，成為了近年來大型車站軌道層結(jié)構(gòu)方案的首選。

杭州鐵路樞紐是“四縱四橫”客運網(wǎng)中滬昆快速客運通道和滬杭甬深沿?？焖偻ǖ郎系闹匾?jié)點，同時也是長江三角洲城際鐵路網(wǎng)上的省會車站之一，在杭州綜合交通運輸體系中有舉足輕重的作用。站場范圍內(nèi)有寧杭甬場、滬杭長場、浙贛改3個車場，共15臺30線(含正線)。車場之上設車站站房，車場下面設地下通道，通道下面為杭州地鐵1號、4號線車站及部分區(qū)間。

杭州東站線路采用直線平坡設計，均為有砟軌道，采用60 kg/m鋼軌;采用的設計活載除浙贛上、下繞行線采用“中－活載”外，其他如寧杭甬、滬杭長正線及各到發(fā)線均為鐵路“ZK活載”，地震抗震烈度為6度，按7度設防;結(jié)構(gòu)使用年限為100年。站址所處地層主要為粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、細砂，下伏基巖為凝灰質(zhì)砂巖［1］。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造設計

2.1 柱網(wǎng)布置

基于杭州東站規(guī)模大，空間布局復雜的特點，在結(jié)構(gòu)選型與布置上要充分考慮站房、線路以及地鐵的影響，最終確定線下工程主體結(jié)構(gòu)采用建橋合一的結(jié)構(gòu)體系，即型鋼混凝土(SRC)縱橫梁格構(gòu)結(jié)構(gòu)。其中，寧杭(78線)、滬杭(1920線)及浙贛繞行(2829線)正線采用獨立的梁式橋方案，以減少正線列車通過對結(jié)構(gòu)動力性能的影響。

縱橫梁格構(gòu)體系順線路方向跨度為(21.7+21.7+24.8+21.7+21.7)m，柱縱向中心跨度111.6 m，柱橫向(C－Q柱)寬330.1 m。軸編號為數(shù)字11～16。到發(fā)線橫向采用“大柱網(wǎng)”布置，即取消一般站臺梁下立柱，橫向跨度21.5～25.5 m，軸編號由字母C～Q組成。其中，C軸到D軸(基本站臺處)的跨度25.5 m，P軸到浙贛繞行線跨度為26.5 m，浙贛繞行線到Q軸為20.05 m，其他均為21.5 m。滬杭正線處的柱網(wǎng)在27線附近考慮下地鐵樓梯口的布置作了局部調(diào)整。在E、H、N軸處設置了出租車通道，考慮通道寬度對邊柱位置進行了調(diào)整。圖1給出寧杭正線到滬杭正線間的柱網(wǎng)布置情況(13軸與14軸對稱)。

主橫梁的布置間距與跨度對應，在每兩主橫梁KL1間布置3根次橫梁KL2;縱梁ZL1位于到發(fā)線雙間中心，與主立柱相連，每根ZL1邊(一般相距4.8 m)布置2根次縱梁ZL2，保證列車靠停時結(jié)構(gòu)受力的合理性。立柱、橫梁及縱梁交叉連接，在型鋼混凝土澆筑完成，與橋面板一起形成了空間格構(gòu)體系，如圖2所示。

2.2 立柱構(gòu)造

立柱為三向壓彎剪構(gòu)件，為充分發(fā)揮立柱的承載力，到發(fā)線立柱采用了鋼管混凝土組合構(gòu)件。為了建筑的美觀，除11與16軸的立柱采用方形柱外，12～15軸均采用圓形柱。與主縱、橫梁連接的主立柱直徑采用2.0 m。

在與縱橫梁連接的上、下翼緣中心處對應各設置橫隔板，板厚40 mm;在此2塊橫隔板之間設置12個豎向加勁肋，肋寬300 mm，環(huán)形布置。在通道面以上、梁底以下范圍內(nèi)設置2塊厚36 mm的橫隔板。柱腳深埋入承臺，預埋深度4.2 m，并通過環(huán)向設置的4根牛腿保證柱與承臺間共同受力。在承臺一次澆筑線內(nèi)設置預埋錨栓。柱腳設計要保證一定的預埋深度，錨栓及預埋底板的強度及穩(wěn)定滿足相關要求，且柱周邊混凝土的抗壓強度在設計容許范圍內(nèi)。

圖2 部分結(jié)構(gòu)橫斷面(單位:cm)

2.3 縱橫梁構(gòu)造

受通道凈空≥6 m的影響，梁高要盡可能地小，除滿足強度、疲勞的要求外，還要滿足消防及結(jié)構(gòu)耐久性等要求。綜合考慮各種因素，縱、橫梁選用了型鋼混凝土組合構(gòu)件。

以主縱梁為例，該型鋼－混凝土構(gòu)件縱向位于軌行區(qū)的正中間，梁高在梁端為3.0 m，通過2.0 m過渡段，梁高漸變?yōu)?.5 m，梁寬1.8 m。型鋼翼緣板寬1.2 m，厚50 mm;腹板厚40 mm。梁外包混凝土上頂面與型鋼上翼緣頂距離130 mm，下底面距下翼緣底120 mm，混凝土中主筋φ25 mm，雙筋布置，在梁側(cè)面按構(gòu)造要求設置φ16 mm縱向架立筋;箍筋φ16 mm，在梁端加密區(qū)間距100 mm，其他間距100～120 mm，橫斷面如圖3所示。

圖3 主縱梁典型橫斷面(單位:mm)

為增強鋼混結(jié)構(gòu)共同受力，根據(jù)梁端水平剪力以及節(jié)點區(qū)負彎矩峰值的分布規(guī)律，在梁端4.5 m范圍內(nèi)翼緣鋼板上布置了剪力釘，并滿足栓釘布置范圍不小于2倍柱高的構(gòu)造要求。

2.4 梁柱節(jié)點構(gòu)造［2］

受結(jié)構(gòu)受力特點的影響，梁柱節(jié)點處有很大的雙向負彎矩，疲勞問題突出，應力集中現(xiàn)象明顯。梁柱節(jié)點特別是主立柱與主縱梁、主橫梁的連接節(jié)點的設計構(gòu)造是本結(jié)構(gòu)關鍵點之一。

節(jié)點鋼結(jié)構(gòu)采用栓、焊連接的方式，即腹板采用高強螺栓連接，上、下翼緣采用焊接，此種構(gòu)造的優(yōu)點在于:(1)大大減少了現(xiàn)場焊接工作量，避開腹板較長的立焊縫，利于提高現(xiàn)場工效;(2)有利于型鋼混凝土構(gòu)件節(jié)點區(qū)上翼緣鋼筋布置。在立柱上焊接外環(huán)板，板厚與縱、橫梁翼緣板相對應;在兩板環(huán)板之間設置豎向加勁板，板厚與縱、橫梁腹板對應。整個節(jié)點鋼結(jié)構(gòu)部分在工廠加工，與立柱段整體加工并發(fā)送。

為保證節(jié)點受力的整體性，與型鋼－混凝土梁相對應，環(huán)柱周邊設置了混凝土外包，外包混凝土中設置2～3層環(huán)向鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)穿過型鋼的腹板。梁體主鋼筋在通過節(jié)點時，焊接在環(huán)向加強板上，板寬120 mm，厚50 mm，通過雙面角焊縫與塞焊的形式與翼緣板可靠連接。

2.5 施工方法

在基礎施工完成后，梁柱節(jié)點就位，泵送灌注鋼管混凝土，然后拼裝軌道層縱、橫梁，支架立?，F(xiàn)澆橋面型鋼混凝土梁及橋面。由于橋面屬超長大面積結(jié)構(gòu)，每隔40 m左右設計1道后澆帶，以減少溫度荷載作用的內(nèi)力。

3 結(jié)構(gòu)計算

3.1 主體結(jié)構(gòu)靜力計算

目前國內(nèi)針對新型“建橋合一”結(jié)構(gòu)體系設計仍沒有統(tǒng)一的規(guī)范與標準可遵循，一般要求“雙控”，即同時滿足建筑相關規(guī)范要求，也要滿足鐵路相關規(guī)范要求。

建橋合一結(jié)構(gòu)的主要受力特點:(1)由于構(gòu)件承受較大的鐵路活載，大大增強了縱橫梁計算的復雜程度，荷載工況多，鋼結(jié)構(gòu)尤其是節(jié)點處疲勞特征突出;(2)縱橫梁體系表現(xiàn)出較強的空間效應，結(jié)構(gòu)之間相互影響。在杭州東站線下工程中，軌道層與上部雨棚建筑相連，通道立柱與地鐵結(jié)構(gòu)相連，計算邊界條件復雜;(3)結(jié)構(gòu)體系連續(xù)，溫度荷載的效應明顯。在本設計中，立柱溫度荷載引起的結(jié)構(gòu)彎矩占總彎矩荷載的70%以上。

鑒于建橋合一結(jié)構(gòu)的受力特點，利用有限元軟件Midas建立空間有限元模型，將軌上建筑結(jié)構(gòu)，線下結(jié)構(gòu)及地鐵、通道分別采用空間梁單元和空間板單元進行建模分析。樁－土相互作用采用群樁模擬進行，樁側(cè)采用彈性邊界，彈簧剛度采用“m”法計算，在樁底作剛性固定。

3.2 縱橫梁檢算

我國現(xiàn)行的型鋼混凝土設計規(guī)程主要有《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)程》(YB 9082—97)［1］和《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 138—2001)［3-4］。文獻［5-8］介紹了國內(nèi)關于型鋼混凝土計算現(xiàn)狀。

由于杭州東站線下工程為“建橋合一”體系。為了保證結(jié)構(gòu)安全合理，在本工程中，對不同規(guī)范進行了比較計算，最后確定采用鐵路容許應力法對型鋼混凝土縱、橫梁進行承載力計算。文獻［9］詳細介紹了型鋼混凝土容許應力法的推導，并編制了相應的計算程序，適應鐵路荷載多工況的特點，對型鋼、混凝土及鋼筋作全面檢算。結(jié)合以上分析，對縱、橫梁型鋼混凝土組合構(gòu)件的計算結(jié)果見表1。

表1 型鋼混凝土構(gòu)件容許應力法檢算結(jié)果

3.3 節(jié)點檢算［10］

由于整體分析采用空間梁、板模型，其分析結(jié)果無法反映出局部受力狀況，而框架結(jié)構(gòu)的立柱節(jié)點設計考慮的因素多，受力條件復雜，因此采用板殼單元和實體單元建立節(jié)點局部結(jié)構(gòu)的有限元模型進行細部分析，提取節(jié)點局部應力分析結(jié)果和桿件應力結(jié)果，為桿件的設計提供依據(jù)就顯得十分重要。本次利用大型通用有限元軟件ANSYS對杭州東站典型立柱節(jié)點進行非線性計算，根據(jù)圣維南原理和縱橫梁剛架體系受力特點，計算了節(jié)點處鋼筋、型鋼，混凝土的應力。建立有限元模型如圖4、圖5所示。

圖4 縱橫梁混凝土、型鋼骨架和鋼筋模型

圖5 立柱混凝土、鋼管、加勁板和鋼筋模型

計算結(jié)果表明:縱橫梁混凝土最大壓應力為20 MPa;縱橫梁型鋼骨架最大Von-Mises應力為154 MPa;縱橫梁縱向受力鋼筋最大軸向應力為114 MPa;立柱混凝土最大軸向壓應力為13 MPa;立柱鋼管最大Von-Mises應力為179 MPa;節(jié)點上下加強環(huán)板最大Von－Mises應力為113 MPa，節(jié)點設計合理，安全性可以得到保證。

4 結(jié)語

本文對杭州東站線下工程總體設計進行闡述，詳細介紹了縱橫梁、立柱、節(jié)點的設計理念及構(gòu)造措施，并采用有限元軟件對結(jié)構(gòu)靜力、節(jié)點細部進行建模分析。結(jié)果顯示:杭州東站線下工程采用結(jié)構(gòu)體系受力合理，構(gòu)件受力滿足規(guī)范要求。該設計思路可為相似結(jié)構(gòu)設計研究提供借鑒。目前杭州東站地下通道線下工程已施工完成。

［1］中鐵第四勘察設計院集團有限公司.改建鐵路杭州鐵路樞紐杭州東站擴建工程施工圖［R］.武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2010.

［2］李星榮，魏才昂，等.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設計手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.YB9082—2006 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)程［S］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007.

［4］中國建筑研究設計院.JGJ138—2001 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［5］趙國藩.高等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［6］趙世春.鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本受力行為的研究［D］.成都:西南交通大學，1993.

［7］趙世春.型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)計算原理［M］.成都:西南交通大學出版社，2004.

［8］姜維山，趙世春.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究［J］.鐵道科學與工程學報，2004，1(1):44-51.

［9］宋子威.型鋼混凝土偏心受壓構(gòu)件強度計算方法［J］.鐵道標準設計，2012(4):54-56.

［10］李小珍.杭州東站立柱節(jié)點局部應力分析報告［R］.成都:西南交通大學，2010.