單柱高架車站的結(jié)構(gòu)特征及設(shè)計要點

靳 磊

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

單柱高架車站的結(jié)構(gòu)特征及設(shè)計要點

靳 磊

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

結(jié)合單柱高架車站的結(jié)構(gòu)特征，介紹了該車站的設(shè)計與結(jié)構(gòu)選型方法，并從單柱墩、大懸臂蓋梁、基礎(chǔ)等方面，闡述了單柱高架車站的設(shè)計要點，使車站的設(shè)計滿足安全、經(jīng)濟、合理、美觀等要求。

單柱高架車站，結(jié)構(gòu)選型，單柱墩，大懸臂蓋梁

隨著我國城市化進程的加快，人口膨脹、交通擁堵、環(huán)境污染等社會問題在大中型城市越發(fā)突出。城市軌道交通具有節(jié)能、環(huán)保、安全高效等特點，是有效疏解城市交通問題的良方。在建設(shè)過程中，特別是城市主城區(qū)，存在高樓林立、地下管線錯綜復(fù)雜、干道交通不容中斷等現(xiàn)實困難；迫于場地所限、有效控制造價，部分線路采用高架形式。在確定站房型式時，宜優(yōu)先考慮采用集占地少、乘車環(huán)境好，且具有自然通風和天然采光，安全疏散容易等優(yōu)點于一身的單柱高架車站。然而，單柱高架車站不符合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的建筑結(jié)構(gòu)體系；具有結(jié)構(gòu)長寬比大、縱橫向抗側(cè)力剛度差異明顯、缺乏多道安全防線等一系列自身特性。本文系統(tǒng)地梳理此類結(jié)構(gòu)的基本特征和設(shè)計要點，以期為同類工程設(shè)計提供參考。

1 單柱高架車站的結(jié)構(gòu)特征

單柱高架車站作為“橋—建”組合結(jié)構(gòu)體系中的一種特殊形式，主要由承受列車荷載的軌道梁和車站房屋主體結(jié)構(gòu)組成；站房主體結(jié)構(gòu)通常由單柱墩+大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁+輕鋼屋蓋組成。圖1為其實際應(yīng)用。

經(jīng)分析，該類結(jié)構(gòu)體系具有以下基本特征[1]：1)結(jié)構(gòu)縱橫向抗側(cè)剛度及動力特性差異明顯；2)結(jié)構(gòu)長寬比很大，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯；3)墩柱屬于短柱或超短柱；4)結(jié)構(gòu)在豎向存在剛度突變；5)結(jié)構(gòu)缺乏多道防線；6)結(jié)構(gòu)頭重腳輕，重心上移，地震反應(yīng)明顯。

2 設(shè)計方法

單柱高架車站兼具橋梁、建筑結(jié)構(gòu)兩種特性。通常其軌道梁、蓋梁、墩柱及基礎(chǔ)歸屬于鐵路橋梁結(jié)構(gòu)范疇；站廳、站臺層及屋蓋雨棚等屬于建筑結(jié)構(gòu)范疇。

一般，橋梁設(shè)計采用容許應(yīng)力法；而房建設(shè)計采用極限狀態(tài)設(shè)計法[2]。如何兼顧兩種規(guī)范，《地鐵設(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定：當軌道梁支承或剛接于軌道橋梁上，形成“橋—建”組合結(jié)構(gòu)體系時，軌道梁及其支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算應(yīng)與區(qū)間橋梁相同的方法進行結(jié)構(gòu)設(shè)計；其余構(gòu)件按現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

單柱高架車站應(yīng)按現(xiàn)行國家標準《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定進行抗震設(shè)計，抗震設(shè)防類別應(yīng)劃為B類。橫梁、結(jié)點和基礎(chǔ)應(yīng)作為能力保護構(gòu)件，按能力保護原則設(shè)計。站廳層、站廳層結(jié)構(gòu)及與墩柱、橫梁的連接，應(yīng)按現(xiàn)行國家標準《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定進行抗震設(shè)計及設(shè)防。

3 結(jié)構(gòu)選型

本文以深圳軌道交通某單柱高架側(cè)式車站為例，對結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計要點進行論述。國貿(mào)站位于深圳市核心區(qū)域，為減少對主干道交通和城市景觀的影響，車站結(jié)構(gòu)選型時綜合考慮周邊環(huán)境(位于路中，且有3 m寬綠化帶)、地下管網(wǎng)等因素，本著節(jié)約用地，確保與周邊環(huán)境和諧統(tǒng)一的原則，單柱高架車站是最為經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)形式。

單柱高架車站主要分：單柱高架側(cè)式、島式車站。其中，單柱高架側(cè)式車站橫向主要受力構(gòu)件由單柱+雙層大懸臂蓋梁構(gòu)成的“干”字形主要受力構(gòu)件及上部站臺夾層、輕鋼屋面組成；單柱高架島式車站橫向主要受力構(gòu)件由單柱+單層大懸臂蓋梁構(gòu)成的“T”字形主要受力構(gòu)件及上部豎向轉(zhuǎn)換構(gòu)件、輕鋼屋面組成；單柱墩、大懸臂蓋梁均為結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵部位。典型橫斷面構(gòu)造如圖2所示。

功能布局上：首層均為架空層，將車站單柱立于路中綠化帶上，最大程度降低對主干道交通的影響；2層為站廳層，中間為公共區(qū)，兩側(cè)為車站管理及設(shè)備用房；3層為站臺層及其夾層；2層旅客進出站天橋可兼有過街功能。相較于單柱高架島式車站，單柱高架側(cè)式車站具有以下特點：

結(jié)構(gòu)傳力途徑明確，主要荷載作用在大懸臂蓋梁上，并由其傳至柱墩，站臺層無需設(shè)轉(zhuǎn)換構(gòu)件作用在首層大懸臂梁上，上下雙層懸臂梁分擔荷載相對合理；起控制性荷載集中作用在大懸臂梁根部，大懸臂梁的承載力和剛度易于滿足；功能上，一般側(cè)式車站體型略寬?！兜罔F設(shè)計規(guī)范》規(guī)定“島式車站不宜采用獨柱式帶長懸臂‘橋—建’組合結(jié)構(gòu)體系”。綜上，宜采用單柱高架側(cè)式車站。

4 設(shè)計要點

4.1 單柱墩

結(jié)合所處主干道橫斷、受建筑及設(shè)備功能布置影響，現(xiàn)對9 m×10 m溫度區(qū)段車站結(jié)構(gòu)采用MIDAS軟件進行實體建模分析。除柱墩截面分別按2 500×2 500(模型1)，1 850×2 800(模型2)，1 500×3 000(模型3)進行比選外，其余構(gòu)件布置完全一致。模型如圖3所示。

4.1.1 對樓層剪重比的影響

經(jīng)對比：在多遇地震作用下，三個模型縱、橫向剪重比均滿足抗規(guī)要求?？v向剪重比基本一致；橫向剪重比大小依次為：模型1最大、模型2居中、模型3最小(見表1)。故在滿足橫向抗側(cè)剛度基本要求的前提下，宜減小單柱截面的縱向慣性矩來降低結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)。

表1 多遇地震作用下樓層剪重比匯總 %

4.1.2 對結(jié)構(gòu)自振特性的影響

前四階自振模態(tài)基本一致，自振模態(tài)及其特性周期見表2。

表2 模型自振特性匯總

經(jīng)比較，通過對單柱截面型式的優(yōu)化調(diào)整，縱橫向抗側(cè)剛度差別減少，兩主軸向的動力特性差異有一定程度減小，達到優(yōu)化結(jié)構(gòu)自振性能的目的。

4.1.3 對溫度效應(yīng)的影響

在升、降溫效應(yīng)作用下，3個模型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力分布基本一致。在溫度效應(yīng)下，柱墩彎矩、剪力均呈現(xiàn)兩頭大、中間小的特點；結(jié)構(gòu)縱向剛度越大，縱向構(gòu)件伸縮時，受到較強的牽制約束，產(chǎn)生的溫度附加力也就越大。柱底最大內(nèi)力匯總見表3。

由表3可知，柱截面對車站結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)影響明顯。模型縱向剛度越大，溫度效應(yīng)越大，對其內(nèi)力控制越不利。溫度效應(yīng)下，3個模型的最大彎矩比值約為2.5∶1.5∶1，最大剪力比值約為2.2∶1.4∶1。建

議在滿足必要的橫向剛度下，減小縱向單柱剛度可有效控制溫度附加力。

表3 升降溫效應(yīng)對應(yīng)柱底反力

4.2 大懸臂蓋梁

作為單柱高架車站主要承載構(gòu)件，蓋梁一般懸挑長度約為10 m，且需承受建筑靜荷載及列車動荷載，其荷載種類和分布狀態(tài)較為復(fù)雜。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在有效控制梁高及抗裂性、耐久性上的優(yōu)勢是鋼筋混凝土構(gòu)件無法實現(xiàn)的。大懸臂蓋梁因其剛度、裂縫等控制較嚴格，宜采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)形式，可有效控制截面高度和裂縫、提高結(jié)構(gòu)剛度，有效解決高架站建筑功能、道路限高等問題。

相對于全預(yù)應(yīng)力設(shè)計，部分預(yù)應(yīng)力有以下優(yōu)點：節(jié)約預(yù)應(yīng)力筋；避免過大的長期反拱；預(yù)應(yīng)力筋制作和張拉工作量小，方便施工；適量的預(yù)應(yīng)力在破壞時呈現(xiàn)延性，對結(jié)構(gòu)抗震較為有利。

故大懸臂蓋梁建議按部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計。另大懸臂蓋梁作為能力保護構(gòu)件，按能力保護原則設(shè)計；需兼顧了“房建”“橋梁”兩種專業(yè)規(guī)范，以保證鐵路規(guī)范的強度、裂縫等指標的要求；還需滿足建筑抗震規(guī)范對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的要求。

4.3 基礎(chǔ)設(shè)計

基礎(chǔ)作為能力保護構(gòu)件，按能力保護原則設(shè)計。合理的基礎(chǔ)設(shè)計，可確保單柱高架車站橫向的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和必要剛度。樁基設(shè)計時，宜將樁基剛度轉(zhuǎn)換為彈簧剛度輸入整體模型分析，以墩底嵌固邊界條件計算將造成對結(jié)構(gòu)橫向剛度的估計偏高，且易造成均勻溫度場中邊柱墩溫度效應(yīng)模擬的失真。當需通過增加樁基剛度以加強結(jié)構(gòu)橫向剛度時，樁基剛度的調(diào)整主要包括以下幾個方面[3]：拉大樁間距：可明顯提高樁基轉(zhuǎn)動剛度，減小承臺底面轉(zhuǎn)角；提高樁身質(zhì)量：采用后注漿樁基、擴孔樁等技術(shù)措施，以提高樁基承載力和剛度；改善土層性質(zhì)：換填樁身頂部雜填土，減小承臺水平位移。

5 結(jié)語

伴隨城市軌道交通的大力發(fā)展，單柱高架車站以其獨特優(yōu)勢被逐漸推廣。本文從該結(jié)構(gòu)的基本特征、結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計要點等方面做了系統(tǒng)分析，針對柱墩、大懸臂蓋梁及基礎(chǔ)等的設(shè)計要點展開簡要論述，以期為同類工程設(shè)計提供參考。

[1] 趙杰林.獨柱式長懸臂高架車站地震安全性探討[J].建筑結(jié)構(gòu),2012(4)：80-81.

[2] 楊開屏.高架車站大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計探討[J].鐵道標準設(shè)計,2012(12)：103.

[3] 楊開屏，毛念華.城市軌道交通獨柱墩高架車站的墩柱及樁基設(shè)計探討[J].鐵道標準設(shè)計,2011(2)：81，83.

The basic characteristics and key points of single-column elevated station

Jin Lei

(RailwayNo.3SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Tianjin300251,China)

Combining with the structural features of the single-column elevated station, the paper introduces the station’s design and structural type selection method, and illustrates its design points from the single column pier, large cantilever coping, and foundation, so as to meet the demands of the safety, economy, reasonability and beauty of the station.

single-column elevated station, structure type selection, single column pier, large cantilever coping

1009-6825(2017)01-0055-02

2016-10-24

靳 磊(1984- )，男，碩士，工程師

TU318

A