城市軌道交通魚腹島式高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靳宗銳

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250022)

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城市軌道交通魚腹島式高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靳宗銳

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250022)

研究雙柱魚腹島式高架車站框架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)問題，闡述預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉順序、張拉批次對蓋梁懸臂端位移的影響，為墩柱截面尺寸及懸臂蓋梁的結(jié)構(gòu)形式選擇提供參考。對車站進(jìn)行動(dòng)力特性分析，證明雙柱式高架車站結(jié)構(gòu)整體剛度更加平衡?？偨Y(jié)群樁基礎(chǔ)在地震作用下的受力特性，驗(yàn)證了偏心受拉是樁基礎(chǔ)配筋的控制工況。

城市軌道交通 高架車站 “橋-建”合一 雙柱式 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 動(dòng)力分析 偏心受拉

1 工程概況

濟(jì)南市軌道交通R1線工程線路全長26.1 km，其中玉符河站為第七個(gè)車站，位于玉符河北側(cè)、劉長山路路中綠化帶內(nèi)，采用“橋-建”合一的結(jié)構(gòu)體系，為高架三層魚腹島式車站。地下一層為電纜夾層、消防泵房和消防水池，地上一層為變電所，地上二層為站廳層和主要設(shè)備與管理用房，地上三層為站臺(tái)層。車站不設(shè)附屬用房，所有設(shè)備均放置在車站主體內(nèi)部，站廳層通過兩座人行天橋連接道路兩側(cè)的車站出入口。

車站結(jié)構(gòu)全長131.1 m，最寬處約26.13 m，總高度為22.0 m，有效站臺(tái)長度為120 m，站臺(tái)寬為8～12 m。

2 結(jié)構(gòu)布置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 車站橫剖面布置

車站為路中高架站，雙柱墩均位于劉長山路路中綠化帶內(nèi)，雙柱共用承臺(tái)，承臺(tái)下為群樁基礎(chǔ)，魚腹島式站臺(tái)，鋼結(jié)構(gòu)屋架。主要承重構(gòu)件為雙柱接懸臂蓋梁的框架結(jié)構(gòu)體系，上部結(jié)構(gòu)荷載通過站廳層4根柱子傳遞給懸臂蓋梁，車站的橫剖面布置見圖1。車站不設(shè)單獨(dú)軌道梁，利用站臺(tái)層縱梁作為軌道梁，與橫梁固結(jié)，縱橫向形成空間框架結(jié)構(gòu)體系。為降低車站的建筑高度，控制蓋梁懸臂端的豎向位移，站廳層懸臂蓋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1 車站典型橫剖面布置(單位：mm)

2.2 車站縱剖面布置

車站結(jié)構(gòu)全長131.1 m，標(biāo)準(zhǔn)柱間跨距為11.0 m，縱向共12跨，在6軸、7軸之間設(shè)溫度縫，縫寬100 mm，車站縱剖面見圖2。車站范圍墩柱間距布置為(5×11 m)+(8.35 m+9.65 m+5×11 m)，共兩聯(lián)，其中地下一層3～11軸為電纜夾層，11～14軸為消防水池與消防泵房；地上一層3～11軸為變電所；地上二層2～6軸為設(shè)備與管理用房，7～13軸為站廳層；地上三層為站臺(tái)層。

圖2 車站縱剖面布置(單位：mm)

2.3 車站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本車站采用“橋-建”合一的結(jié)構(gòu)形式，為路中高架三層車站。本車站最為顯著的特點(diǎn)是采用魚腹島式車站，車站外形為曲線，外立面采用清水混凝土，造型美觀，且縱橫梁固結(jié)為一體，形成空間框架結(jié)構(gòu)體系。

“橋-建”合一形式的車站橋梁結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)固結(jié)在一起，其受力條件比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)工作涉及多個(gè)專業(yè)，工作量較大。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]第10.6.2條規(guī)定，“橋-建”組合結(jié)構(gòu)體系的軌道梁及其支承結(jié)構(gòu)應(yīng)按現(xiàn)行鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其余構(gòu)件應(yīng)按現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.4 計(jì)算模型

采用midas Civil程序建立空間桿系模型進(jìn)行計(jì)算分析[2]，其中縱橫梁、墩柱均用梁單元模擬，站臺(tái)層、站廳層樓板均用板單元模擬，利用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬地基土對結(jié)構(gòu)的作用[3]，將承臺(tái)底的約束簡化為一個(gè)6自由度的彈簧。計(jì)算模型如圖3。

圖3 車站整體計(jì)算模型

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析及變形控制

3.1 墩柱設(shè)計(jì)

超長連續(xù)框架結(jié)構(gòu)體系的溫度效應(yīng)是控制墩柱設(shè)計(jì)的主要因素。為此，設(shè)計(jì)時(shí)需在構(gòu)造和結(jié)構(gòu)體系兩個(gè)方面采取措施，減小附加溫度力的影響[4]。首先，在車站6軸、7軸之間設(shè)置寬100 mm的溫度縫，以減小連續(xù)結(jié)構(gòu)的長度；其次，合理選擇墩柱截面尺寸，控制墩柱剛度。

以車站第4榀框架為例，采用midas Civil軟件對車站墩柱在不同截面尺寸下分別進(jìn)行附加溫度力的計(jì)算[5]，其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 墩柱底縱向附加溫度力

分析表1的計(jì)算結(jié)果可知，減小車站墩柱順橋向尺寸對降低溫度力的影響有明顯的作用，而墩柱橫橋向尺寸的變化對溫度力的影響較小?？紤]到墩頂水平位移的控制及柱頂懸挑蓋梁截面尺寸的選擇，地面層墩柱的構(gòu)造尺寸不能太小，本站墩柱截面尺寸選用1.4 m(順橋向)×1.8 m(橫橋向)。

3.2 站廳層蓋梁設(shè)計(jì)

站廳層蓋梁作為本車站最主要的受力構(gòu)件，采用大懸臂式結(jié)構(gòu)，懸臂長度為5 180～7 010 mm，除要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)外，對車站的美觀性和行車舒適性也具有較大的影響。

利用midas Civil軟件建模分析，對車站采用鋼筋混凝土蓋梁或者預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁進(jìn)行方案比選[6]。以第4榀框架為例，蓋梁計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。

表2 鋼筋混凝土橫梁

表3 預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁

通過對比分析，在相同截面尺寸前提下，鋼筋混凝土蓋梁的裂縫寬度及懸臂端撓度值難以控制，對車站的整體結(jié)構(gòu)安全和行車安全影響較大；在合理的配束下，采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、抗裂安全性都能得到保證，且懸臂端的撓度值較小，有利于行車的安全性和舒適性。故站廳層懸臂蓋梁選擇采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

采用midas Civil計(jì)算軟件對站廳層蓋梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行建模分析，與施工工序相結(jié)合，優(yōu)化預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉順序，以第4榀框架為例，預(yù)應(yīng)力鋼束布置大樣如圖4所示。

圖4 蓋梁鋼束布置大樣(單位：mm)

圖5 各階振形

車站上部結(jié)構(gòu)通過站廳層立柱與蓋梁固結(jié)傳遞荷載，蓋梁懸臂端的豎向位移[7]將影響到整體結(jié)構(gòu)的變形。為了更好地控制蓋梁懸臂端的豎向位移，同時(shí)考慮到對施工工期的影響，結(jié)合車站梁板體系的變形特點(diǎn)和施工順序，對站廳層懸臂蓋梁的預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行有序分批次張拉設(shè)計(jì)，可以很好地控制蓋梁懸臂端的豎向位移。

3.3 結(jié)構(gòu)的變形控制

根據(jù)擬定的截面尺寸計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮軸間縱橫梁、板的約束作用，采用midas Civil及PKPM軟件對車站進(jìn)行整體建模分析，對控制節(jié)點(diǎn)水平位移、豎向位移進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如下。

(1)最不利組合作用下站廳層蓋梁懸臂端最大豎向撓度[f]=8.7 mm

(3)層間位移角：根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，彈性層間位移角1/1 042<[θ]=1/550；彈塑性層間位移角1/449<[θ]=1/50。

整體建模分析計(jì)算結(jié)果表明，車站結(jié)構(gòu)的撓度、位移均能滿足國家現(xiàn)行規(guī)范的要求。

4 動(dòng)力特性及地震反應(yīng)分析

4.1 周期與振形

自振頻率能夠反映出車站結(jié)構(gòu)整體剛度的大小，也能夠反映出車站的動(dòng)力特性。因此，要對車站進(jìn)行動(dòng)力特性分析，必須首先準(zhǔn)確計(jì)算出結(jié)構(gòu)的自振頻率、自振周期，以及各階頻率、周期所對應(yīng)的振形特征[9]。

有限元分析后得出的前6階振形參數(shù)結(jié)果見表4，車站第1、2、4、6階振形見圖5。

以上分析結(jié)果表明，由于受到下部雙柱式大懸臂結(jié)構(gòu)的影響，車站前6階振形分別表現(xiàn)為3階橫向撓曲振動(dòng)，1階扭轉(zhuǎn)，2階縱向撓曲振動(dòng)。表明車站橫橋向剛度稍弱于車站的抗扭剛度和縱橋向剛度。與獨(dú)柱式高架車站相比，雙柱式高架車站的整體剛度更加趨于平衡，穩(wěn)定性更強(qiáng)。

表4 車站前6階振形特征

4.2 地震反應(yīng)分析

(1)E1地震分析

按《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，當(dāng)多分量地震作用時(shí)，各地震分量引起的地震反應(yīng)按下式進(jìn)行組合，對2種組合得出的結(jié)果應(yīng)分別進(jìn)行抗震驗(yàn)算

分析時(shí)地震力按縱、橫向均采用30個(gè)振形進(jìn)行計(jì)算，墩柱的內(nèi)力結(jié)果見表5。

表5 E1作用下柱底內(nèi)力

計(jì)算結(jié)果表明，地震力作用下，墩柱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大地震反應(yīng)，且內(nèi)力值均大于靜力計(jì)算結(jié)果，對下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)起到控制作用。

(2)E3地震下樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]第10.6.10條的要求，橫梁、結(jié)點(diǎn)、基礎(chǔ)應(yīng)作為能力保護(hù)構(gòu)件，按能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)。

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中規(guī)定，能力保護(hù)構(gòu)件的計(jì)算，首先要判斷出墩柱在E3地震時(shí)的彈塑性狀態(tài)來進(jìn)行下一步計(jì)算，若E3地震時(shí)墩柱出現(xiàn)塑性鉸(等效屈服)，則采用墩柱的超強(qiáng)彎矩推算至樁基，若未進(jìn)入等效屈服，則采用E3地震時(shí)的樁基內(nèi)力對樁基進(jìn)行計(jì)算。

以本車站為例，分析比較了在E3地震作用下樁基直徑為1.2 m、1.5 m、1.8 m時(shí)樁基軸向力的變化，見表6。

表6 E3地震作用下樁基軸向力 kN

由以上計(jì)算結(jié)果可見：(1)在E3地震作用下樁基出現(xiàn)偏心受壓和偏心受拉兩種情況，引起較大的軸壓力和軸拉力；(2)對比樁徑1.2 m、1.5 m、1.8 m的計(jì)算結(jié)果，在樁間距均為3D的情況下，樁徑越小軸拉力越大，樁徑越大，軸向力拉力越??；(3)E3地震作用下的樁基軸拉力對樁基配筋起控制作用。

5 結(jié)束語

通過對濟(jì)南市軌道交通R1工程路中高架車站結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，對“橋-建”合一雙柱島式高架車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出幾點(diǎn)建議：

(1)框架連續(xù)結(jié)構(gòu)墩柱的順橋向剛度對附加溫度力效應(yīng)有較大的影響，建議在強(qiáng)度、變形等滿足規(guī)范要求的前提下，應(yīng)盡量減小墩柱的順橋向截面尺寸，以降低溫度力對結(jié)構(gòu)的影響。

(2)懸臂蓋梁除滿足裂縫、強(qiáng)度安全系數(shù)外，還需合理控制蓋梁懸臂端的豎向位移和層間位移角，建議采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，并對預(yù)應(yīng)力的張拉批次、張拉順序、張拉數(shù)量進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)。

(3)整體動(dòng)力特性分析表明，與獨(dú)柱式高架車站相比，雙柱式高架車站的整體剛度更加趨于平衡，承載能力、穩(wěn)定性更強(qiáng)，且由于柱間距的拉開，減小了蓋梁的懸臂長度，對車站主要承重構(gòu)件的設(shè)計(jì)非常有利。

(4)在地震作用下，高架車站群樁基礎(chǔ)會(huì)出現(xiàn)偏心受壓和偏心受拉兩種工況，樁基承受非常大的軸壓力和軸拉力，且偏心受拉工況對樁基配筋起到控制作用，建議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇較大直徑的樁基作為群樁基礎(chǔ)。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014

[2] 戴公連，李德建.橋梁結(jié)構(gòu)空間分析設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2001

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[4] 楊開屏，毛念華.城市軌道交通獨(dú)柱墩高架站的墩柱及樁基設(shè)計(jì)探討[J].城市軌道交通研究，2011(2):80-82

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[6] 中華人民共和國鐵道部.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].北京：中國鐵道出版社，2005

[7] 周宏慧.高架車站大懸臂獨(dú)柱橋墩橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2006(4):67-69

[8] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部/中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

[9] 趙亮.獨(dú)柱式大懸臂高架車站的動(dòng)力特性及地震反應(yīng)分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2005(2):26-29

[10]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部/中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50909—2014城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2014

[11]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ166—2011城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012

Structural Design of the Fishbelly Island Elevated Station on the Urban Mass Transit

JIN Zongrui

2016-10-11

靳宗銳(1983—)，男，2010年畢業(yè)于重慶交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2016)06-0098-04

U231+.4； U233

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