滑動(dòng)端跨對(duì)超長高架車站結(jié)構(gòu)的影響分析

董曉鵬

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司太原設(shè)計(jì)院，山西太原 030013)

城市軌道交通高架車站常見的結(jié)構(gòu)形式有兩類：一類是“橋-建”分離式結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)受力明確，橋梁部分承擔(dān)列車軌道荷載，而車站結(jié)構(gòu)相當(dāng)于普通民用建筑結(jié)構(gòu)，承擔(dān)列車荷載以外的其它荷載，兩者完全脫離；另一類則是“橋-建”合一式結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)傳力機(jī)制復(fù)雜，不僅要承受列車荷載，還要承受其它民用建筑荷載。與“橋-建”分離式結(jié)構(gòu)相比，“橋-建”合一式結(jié)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)量較少，外形美觀，故“橋-建”合一式車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更為常見。

“橋-建”合一式車站結(jié)構(gòu)具有橋和常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)的雙重特性[1]，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，軌道梁必須滿足“鐵規(guī)”(如《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3])的要求，而橫向蓋梁、框架柱、基礎(chǔ)須同時(shí)滿足“鐵規(guī)”和“建規(guī)”(如《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5])，其余構(gòu)件則只需滿足“建規(guī)”即可。

城市軌道交通高架車站建筑長度通常為120 m。受《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大距離的限制，需要在車站結(jié)構(gòu)中設(shè)置一道或者兩道結(jié)構(gòu)伸縮縫，以此來減小混凝土收縮及溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。在設(shè)置結(jié)構(gòu)伸縮縫的部位，需要布置雙柱、雙梁，影響建筑美觀和防水效果，而且會(huì)帶來施工上的不便。近年來，不設(shè)結(jié)構(gòu)伸縮縫的超長混凝土車站結(jié)構(gòu)正逐漸興起。然而，超長結(jié)構(gòu)會(huì)帶來兩個(gè)問題：一是混凝土收縮及溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大[6-9]；二是對(duì)于超長結(jié)構(gòu)的自振特性及地震作用的研究較少[10]。

圖1 端跨滑動(dòng)處理大樣

在高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有些工程采用在結(jié)構(gòu)縱橋向端跨的梁底設(shè)置縱向滑動(dòng)支座的方法(見圖1)，來緩解混凝土收縮及溫度作用的影響。為了探究縱橋向端跨滑動(dòng)處理對(duì)超長結(jié)構(gòu)在混凝土收縮、溫度、軌道荷載以及地震作用下的影響規(guī)律，利用Midas Civil軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 模型的建立

以某市新建的路中雙柱三層側(cè)式高架車站為例，利用Midas Civil軟件建立兩種三維結(jié)構(gòu)模型：一種是傳統(tǒng)的連續(xù)框架結(jié)構(gòu)形式(見圖2)；另一種是對(duì)其進(jìn)行端跨滑動(dòng)處理的結(jié)構(gòu)形式(見圖1)。其中，端跨支座采用縱向活動(dòng)球形鋼支座[11]，該支座可以承受豎向荷載和橫橋向水平荷載，具有豎向轉(zhuǎn)動(dòng)及縱橋向位移的功能。軟件中采用“彈性連接”來模擬該支座。

圖2 結(jié)構(gòu)模型

該車站結(jié)構(gòu)總長120 m，縱向共有11排框架柱，中間不設(shè)結(jié)構(gòu)收縮縫，軸號(hào)從左向右依次為1～11，車站結(jié)構(gòu)總寬22.8 m。采用C40混凝土，構(gòu)件尺寸主要有：柱1 800 mm×1 800 mm、1 500 mm×1 500 mm、1 200 mm×1 200 mm、400 mm×400 mm；蓋梁1 800 mm×(1 500～2 200 mm)、1 800 mm×(1 200～2 200 mm)；縱梁800 mm×1 200 mm、700 mm×1 500 mm、500 mm×1 000 mm；軌道梁600 mm×1 200 mm；板厚180 mm、150 mm。車站結(jié)構(gòu)荷載：恒載按實(shí)際計(jì)算；站廳層設(shè)備活載為8 kN/m2、人行活載為4 kN/m2、電纜夾層活載為2 kN/m2。

2 收縮及溫度作用分析

《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定混凝土收縮的影響可按降低溫度的方法來計(jì)算，故對(duì)計(jì)算模型整體按降溫25 ℃，分析收縮及溫度作用對(duì)兩個(gè)計(jì)算模型的影響規(guī)律。

圖3 溫度效應(yīng)統(tǒng)計(jì)

從圖3可以看出，柱根彎矩與柱頂位移的變化規(guī)律極為相近：對(duì)于端跨固接的結(jié)構(gòu)，在收縮及溫度作用下，結(jié)構(gòu)沿縱橋向的柱根彎矩和柱頂位移都是中間榀最小，向兩側(cè)端跨方向依次增大；對(duì)于端跨滑動(dòng)處理的結(jié)構(gòu)，由于端跨縱橋向梁端位移的釋放，導(dǎo)致兩側(cè)端柱的彎矩和位移均為零，而除端跨以外的各跨，柱的彎矩和位移與端跨固接模型的變化規(guī)律保持一致，且數(shù)值極為接近。

通過以上對(duì)比可以得出：越是遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)中軸線的框架柱，受收縮及溫度作用的影響也就越明顯，且端柱產(chǎn)生的內(nèi)力及變形越大。端跨滑動(dòng)處理可以有效降低端柱的溫度效應(yīng)，但對(duì)其中柱內(nèi)力及變形幾乎沒有作用。

因此，對(duì)于采用端跨滑動(dòng)處理的超長結(jié)構(gòu)，中間跨的收縮及溫度作用必須加以考慮。這種超長結(jié)構(gòu)收縮及溫度裂縫的控制可以采用以下方法：①在結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)充分考慮混凝土收縮及溫度作用，保證結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的可靠性。②加強(qiáng)構(gòu)造措施，如混凝土中添加纖維；合理設(shè)置后澆帶；采用低干縮混凝土；重視混凝土的構(gòu)造配筋，特別是樓板和縱梁的配筋。

3 軌道梁受力分析

為探究端跨滑動(dòng)處理對(duì)軌道梁內(nèi)力及變形的影響規(guī)律，在上述模型中輸入軌道荷載。其中，軌道鋪裝恒載取15 kN/m；列車活載按照6輛編組考慮，列車滿載軸重取140 kN，以移動(dòng)荷載方式輸入。兩個(gè)模型中軌道梁的內(nèi)力及變形統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

圖4 軌道梁內(nèi)力及變形統(tǒng)計(jì)

對(duì)比圖4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：相較于端跨固接模型，端跨滑動(dòng)處理使得軌道梁的端跨跨中正彎矩和端跨非滑動(dòng)端的負(fù)彎矩增加明顯，而端跨滑動(dòng)端的負(fù)彎矩減?。卉壍懒旱亩丝缈缰袚隙纫诧@著增加；然而，對(duì)于處于中間跨的軌道梁，其內(nèi)力及變形基本保持不變。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是端跨的滑動(dòng)處理釋放了軌道梁沿縱橋向的位移和轉(zhuǎn)角，導(dǎo)致軌道梁受力發(fā)生改變，使得軌道梁端跨的非滑動(dòng)端和跨中內(nèi)力增加，而對(duì)于遠(yuǎn)離端跨的其它跨則影響很小。因此，當(dāng)車站結(jié)構(gòu)采用端跨滑動(dòng)處理時(shí)，應(yīng)特別注意軌道梁端跨附近的內(nèi)力變化。

4 動(dòng)力特性分析

利用上述兩個(gè)模型，對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性統(tǒng)計(jì)

對(duì)比兩個(gè)模型的前三階振型可以看出：對(duì)于端跨滑動(dòng)處理的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)自振周期明顯加長(特別是第二、三階振型的周期)；此外，端跨滑動(dòng)處理使得結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振型提早出現(xiàn)，且扭轉(zhuǎn)振型的周期明顯增加，這種扭轉(zhuǎn)振型的過早出現(xiàn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗震極為不利，必須引起設(shè)計(jì)人員的重視。

5 地震作用分析

為了對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)在高烈度地區(qū)沿縱橋向與橫橋向的地震響應(yīng)，運(yùn)用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)其進(jìn)行多遇地震作用下的內(nèi)力及變形計(jì)算，地震參數(shù)按照《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]中8度(0.2g)、Ⅲ類場(chǎng)地、特征周期分區(qū)為二區(qū)來考慮。圖5和圖6分別統(tǒng)計(jì)了縱橋向與橫橋向地震作用下兩種結(jié)構(gòu)類型中框架柱的內(nèi)力與位移響應(yīng)。

圖5 縱橋向地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)

從圖5可以看出，縱橋向地震作用下柱根縱向彎矩與柱頂縱向位移的變化規(guī)律極為類似：相較于端跨固接模型，端跨滑動(dòng)處理使得端柱的縱橋向地震響應(yīng)明顯減弱，而中柱的縱橋向地震響應(yīng)有所增大。這主要是因?yàn)槎丝缁瑒?dòng)處理釋放掉了端柱沿縱橋向的地震作用，被釋放掉的地震作用轉(zhuǎn)由其它中柱承擔(dān)。

從圖6可以看出，橫橋向地震作用下柱根橫向彎矩與柱頂橫向位移的變化規(guī)律大致一致：相較于端跨固接模型，端跨滑動(dòng)處理使得端柱及其與之緊鄰的框架柱的橫橋向地震響應(yīng)明顯增加，且增加的幅度遠(yuǎn)大于其它中柱；而其它中柱的橫橋向地震響應(yīng)有增也有減，且變化幅度不明顯。由此可見，端跨滑動(dòng)處理會(huì)增加端跨附近框架柱在橫橋向的地震響應(yīng)，故在設(shè)計(jì)此類結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)對(duì)端跨附近的框架柱適當(dāng)加強(qiáng)。

圖6 橫橋向地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)

6 結(jié)論

(1)端跨滑動(dòng)處理可以有效降低車站端柱的收縮及溫度效應(yīng)，但對(duì)其它中柱的內(nèi)力及變形影響不大。因此，即使一些超長結(jié)構(gòu)采用了端跨滑動(dòng)處理，中間跨的混凝土收縮及溫度作用也需加以考慮，并應(yīng)采用相應(yīng)的構(gòu)造措施來預(yù)防混凝土開裂。

(2)端跨滑動(dòng)處理使得車站軌道梁端跨的受力發(fā)生改變，導(dǎo)致軌道梁的端跨跨中正彎矩和撓度以及端跨非滑動(dòng)端的負(fù)彎矩顯著增加。

(3)采用端跨滑動(dòng)處理的超長車站結(jié)構(gòu)的自振周期會(huì)加長，且扭轉(zhuǎn)振型會(huì)提早出現(xiàn)，這對(duì)結(jié)構(gòu)抗震極為不利。

(4)相較于端跨固接的結(jié)構(gòu)形式，滑動(dòng)端跨處理的結(jié)構(gòu)在縱橋向地震作用下，端柱的內(nèi)力和變形明顯減小，而其它中柱的內(nèi)力和變形都有所增大；而在橫橋向地震作用下，端跨附近框架柱的內(nèi)力和變形顯著增加，其它中柱則變化不大。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)端跨采用縱向滑動(dòng)支座時(shí)，應(yīng)對(duì)端跨附近的框架柱適當(dāng)加強(qiáng)。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50157—2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013

[2] 國家鐵路局.TB10002—2017 鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2017

[3] 國家鐵路局.TB10092—2017 鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2017

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015

[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.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，2016

[6] 周永禮，楊靜.“橋建合一”高架車站收縮、徐變及溫度力影響的分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(1)：31-33

[7] 張風(fēng)波.城市輕軌高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012

[8] 馮健，呂志濤，吳志彬，等.超長混凝土結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2001(6)：14-19

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[10] 劉守斌.超長無縫結(jié)構(gòu)的隔震技術(shù)研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2008

[11] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJ/T482—2015 城市軌道交通橋梁球型鋼支座[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015

[12] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50111—2006 鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2009