城市軌道交通高架車站結(jié)構(gòu)模型對(duì)比分析

吳 剛，趙 進(jìn)

（1. 南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇南京 210000；2. 中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210014）

0 引言

城市軌道交通高架線路以其造價(jià)低、建設(shè)周期短的優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了城市軌道交通相當(dāng)一部分比重。高架車站根據(jù)行車軌道和站臺(tái)之間的關(guān)系，分為島式車站和側(cè)式車站，一般由下部混凝土結(jié)構(gòu)和上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚組成（圖 1）。這種混合結(jié)構(gòu)由 2 種截然不同的材料組成，質(zhì)量和剛度沿豎向產(chǎn)生突變，下重上輕，下剛上柔。在以往的高架車站設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員為了簡化設(shè)計(jì)，一般都將下部混凝土結(jié)構(gòu)和上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚分開建模計(jì)算，不考慮它們的共同作用。本文以南京寧天城際軌道交通一期工程 S8 線路中側(cè)式車站卸甲甸站（原大廠西站）為例，采用 MIDAS GEN 軟件，對(duì)下部混凝土模型、上部鋼結(jié)構(gòu)模型、下部混凝土+上部鋼結(jié)構(gòu)混合模型（以下稱整體模型）等 3 種模型下的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行對(duì)比分析。

圖 1 一般高架車站型式

1 高架車站結(jié)構(gòu)及模型建立

南京寧天城際軌道交通一期工程 S8 線南起泰山新村站，經(jīng)過橋北地區(qū)、浦口沿江、大廠、六合，北至金牛湖站，途徑南京浦口區(qū)和六合區(qū)，是南京都市圈軌道交通中的一條重要線路。線路全長 45.2 km，其中地下線 12.2 km，高架線 33 km。全線共設(shè) 17 座車站，其中地下站 6 座，高架站 11 座。列車采用 4B 編組，最高運(yùn)行速度為120 km/h。卸甲甸站為路中高架側(cè)式車站，位于江北大道路中 6 m 寬綠化帶內(nèi)。本工程地震基本烈度為 7 度，設(shè)計(jì)基本加速度為 0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，結(jié)構(gòu)概況如下。

（1）下部混凝土部分。混凝土框架結(jié)構(gòu)，墩柱橫向柱距 3.9 m，縱向柱距 12 m 共 7 跨，1、7、8 軸墩柱截面尺寸為 1.4 m×1.4 m，2～6 軸墩柱截面尺寸為1.1 m×1.1 m。橫向預(yù)應(yīng)力蓋梁全長外包尺寸 17.6 m，蓋梁凈懸挑長度6.3 m。站廳層 6～8 軸鏤空，站臺(tái)層設(shè)1 道變形縫，設(shè)計(jì)使用年限 100 年，抗震等級(jí)為二級(jí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí) C40。

（2）上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚部分。鋼框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體長 95.4 m，寬約22.4 m。沿縱向有8榀弧形主桁架，7 榀次桁架，主次桁架間距約為 6 m，兩端均有 1 榀弧形封邊桁架，縱向布置有 4 榀通長縱向桁架起聯(lián)系和支托作用。鋼柱橫向柱距為 17.1 m，縱向柱距為 12 m，與站臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)采用鉸接連接。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限 50 年，受力構(gòu)件采用 Q345B 鋼。

根據(jù)車站整體結(jié)構(gòu)橫剖面圖 2，采用 MIDAS GEN軟件建立的 3 種模型見圖 3～圖 5。

圖 2 橫剖面圖（單位：mm）

圖 3 下部混凝土模型

圖 4 上部鋼結(jié)構(gòu)模型

2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

表 1 給出了 3 種模型前 3 階振型。由表 1 結(jié)果可知，由于考慮了混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的相互影響，整體模型與下部混凝土模型和上部鋼結(jié)構(gòu)模型相比，周期長、剛度小、結(jié)構(gòu)柔化。

圖 6 給出了整體模型前 3 階振型。由圖 6 可以看出，該高架車站由于質(zhì)量和剛度沿豎向產(chǎn)生突變，下重上輕，下剛上柔，鋼結(jié)構(gòu)部分存在變形突變，可能會(huì)成為薄弱層，需對(duì)鋼結(jié)構(gòu)柱做加強(qiáng)處理。

圖 5 整體模型

表 1 結(jié)構(gòu)前 3 階振型

圖 6 整體模型前3階振型圖

表 2 多遇地震作用下混凝土墩柱柱底內(nèi)力最大設(shè)計(jì)值

3 多遇地震反應(yīng)譜分析

3.1 內(nèi)力

3.1.1 混凝土墩柱柱底內(nèi)力

多遇地震作用下，下部混凝土模型和整體模型混凝土墩柱柱底內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表 2。對(duì)比 2 個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果可知，由于整體模型計(jì)入鋼結(jié)構(gòu)雨棚的剛度影響，相比下部混凝土模型，周期長、整體剛度小，混凝土墩柱柱底內(nèi)力也較小。由此可見，若不考慮上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚的影響，僅以下部混凝土模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，則設(shè)計(jì)結(jié)果偏于保守。

3.1.2 鋼結(jié)構(gòu)柱內(nèi)力

表 3 給出了多遇地震作用下，上部鋼結(jié)構(gòu)模型和整體模型鋼結(jié)構(gòu)柱內(nèi)力，由表 3 可得出以下結(jié)論。

（1）整體模型相較于上部鋼結(jié)構(gòu)模型，鋼結(jié)構(gòu)柱內(nèi)力更大。這是由于高架車站的質(zhì)量和剛度沿豎向產(chǎn)生突變，鋼結(jié)構(gòu)雨棚質(zhì)量輕、剛度小，在地震作用下發(fā)生了鞭梢效應(yīng)。

（2）1軸柱內(nèi)力大，8 軸柱內(nèi)力小。這是因?yàn)樽鳛殇摻Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的下部混凝土部分在站廳層 6～8 軸部分鏤空，1 軸質(zhì)量大，地震效應(yīng)大，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu) 1 軸柱的內(nèi)力大。由此可見，整體模型可以真實(shí)地反映出作為基礎(chǔ)的下部混凝土部分的規(guī)則性給鋼結(jié)構(gòu)部分帶來的影響，這是上部鋼結(jié)構(gòu)模型所無法反映的。

以上分析表明，若不考慮下部混凝土部分的影響，僅以上部鋼結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)，則設(shè)計(jì)結(jié)果偏于不安全。

3.2 變形

圖7～圖12給出了多遇地震作用下 3 個(gè)模型的位移云圖，其結(jié)果匯總于表 4。

表 3 多遇地震作用下鋼結(jié)構(gòu)柱順、橫橋向彎矩最大設(shè)計(jì)值 kN · m

圖 7 下部混凝土模型順橋向地震時(shí)順橋向最大位移（單位：mm）

圖 8 下部混凝土模型橫橋向地震時(shí)橫橋向最大位移（單位：mm）

圖 9 上部鋼結(jié)構(gòu)模型順橋向地震時(shí)順橋向最大位移（單位：mm）

圖 10 上部鋼結(jié)構(gòu)模型橫橋向地震時(shí)橫橋向最大位移（單位：mm）

（1）由圖 7、圖 8 可知，多遇地震下，混凝土模型最大位移發(fā)生在站臺(tái)層，順橋向地震時(shí)的順橋向最大位移為 6.827 mm，橫橋向地震時(shí)的橫橋向最大位移為 8.856 mm（發(fā)生在 1 軸柱處）。

（2）由圖 9、圖 10 可知，多遇地震下，鋼結(jié)構(gòu)順橋向地震時(shí)的順橋向最大位移為 10.443 mm（發(fā)生在弧形主桁架頂部），橫橋向地震時(shí)的橫橋向最大位移為 8.774 mm（發(fā)生在 1 軸鋼柱頂部）。

（3）由圖 11、圖 12 可知，多遇地震下，整體模型中，混凝土最大位移發(fā)生在站臺(tái)層，順橋向地震時(shí)的順橋向最大位移為 4.983 mm，橫橋向地震時(shí)的橫橋向最大位移為 6.352 mm（發(fā)生在 1 軸柱處）；鋼結(jié)構(gòu)順橋向地震時(shí)的順橋向最大位移為 23.076 mm（發(fā)生在弧形主桁架頂部），橫橋向地震時(shí)的橫橋向最大位移為 30.058 mm（發(fā)生在 1 軸鋼柱頂部）。

上述分析表明，對(duì)混凝土部分來說，整體模型位移較混凝土模型??；對(duì)鋼結(jié)構(gòu)部分來說，整體模型位移較鋼結(jié)構(gòu)模型大，且差值較大，整體模型中鋼結(jié)構(gòu)鞭梢效應(yīng)明顯。

4 結(jié)論與建議

（1）整體模型由于考慮了鋼結(jié)構(gòu)的影響，相比于下部混凝土模型，周期長、結(jié)構(gòu)柔。下部混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，為了減少工作量，不考慮鋼結(jié)構(gòu)的剛度影響，單獨(dú)建立混凝土模型進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，其結(jié)果是偏于安全的。

（2）對(duì)于城市軌道交通高架車站，存在豎向剛度和質(zhì)量突變，鋼結(jié)構(gòu)部分在地震作用下將發(fā)生鞭梢效應(yīng)，應(yīng)引起足夠的重視。此外，下部混凝土部分若存在平面不規(guī)則，會(huì)對(duì)上部鋼結(jié)構(gòu)帶來重大影響。因此，鋼結(jié)構(gòu)雨棚設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮下部混凝土結(jié)構(gòu)的影響。

圖 11 整體模型順橋向地震時(shí)順橋向最大位移（單位：mm）

圖 12 整體模型橫橋向地震時(shí)橫橋向最大位移（單位：mm）

表 4 多遇地震作用下 3 種模型最大位移 mm

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