橋建完全合一單跨高架車站結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

倪文兵

（中鐵四院集團(tuán)西南勘察有限公司，云南昆明 650200）

0 引言

城市軌道交通高架車站建筑結(jié)構(gòu)形式分為橋建合一與橋建分離 2 種形式[1]。橋建合一形式由于整體性強(qiáng)，具有較好的發(fā)展前景[2]；橋建合一車站結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及橋梁與建筑結(jié)構(gòu) 2 個(gè)學(xué)科，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜[3]。針對橋建合一高架車站的抗震設(shè)計(jì)，趙濤[4]、彭喆[5]進(jìn)行了較全面的研究。本文結(jié)合昆明地鐵工程實(shí)例，對橋建完全合一高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的典型難點(diǎn)問題和實(shí)際處理對策進(jìn)行探討。

1 結(jié)構(gòu)體系介紹

橋建完全合一的單跨高架車站是指受力體系為典型框架結(jié)構(gòu)體系的高架車站（圖 1），它具有如下特點(diǎn)：車站中沒有單獨(dú)承擔(dān)車輛荷載的簡支軌道梁，車站橫向一般為雙柱單跨框架結(jié)構(gòu)，車站縱向?yàn)槎嗫缈蚣芙Y(jié)構(gòu)。一般車站的建筑層數(shù)為 3 層，高度不超過 24 m，且頂層為輕鋼結(jié)構(gòu)雨棚，此種結(jié)構(gòu)可歸類為民用建筑鋼筋混凝土多層單跨框架結(jié)構(gòu)。為滿足城市軌道交通車站的功能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有自己的特點(diǎn)。由于建筑場地條件的限定和車站功能的相似性，此種建筑結(jié)構(gòu)的形式又是相對固定的，比較容易進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

圖 1 典型框架結(jié)構(gòu)體系的高架車站（單位：mm）

2 長懸挑梁端頭柱設(shè)置

昆明地鐵工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)審圖過程中，對于長懸挑梁端頭柱的設(shè)置（圖 1 中附加柱 1）有兩種觀點(diǎn)：①不設(shè)置，上下 2 層梁均為單純的懸挑梁，受力明確，不存在豎向結(jié)構(gòu)不連續(xù)的問題，且結(jié)構(gòu)規(guī)則性好，抗震性能更好；②設(shè)置此柱，增加了上下 2 層懸挑梁剛度，可以較好地優(yōu)化懸挑梁截面。

為此，在昆明地鐵晉寧線車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，采用 PKPM 計(jì)算分析軟件中的 PK 模塊作為分析工具，建立平面框架結(jié)構(gòu)模型 A（圖 2），同時(shí)建立一個(gè)對比模型 B（圖 3）。模型 B 除取消了 2 個(gè) 7 號構(gòu)件，其他荷載、構(gòu)件等與模型 A 完全相同，構(gòu)件截面尺寸見表 1。

圖 2、圖 3 中，桿件編號不帶圈，節(jié)點(diǎn)編號帶圈，并定義位置梁 6-4 表示梁 6 的 4 節(jié)點(diǎn)端。取該工程場地地震作用為 8°（0.3g），小震情況計(jì)算，得出 2 種模型計(jì)算結(jié)果對比，見表 2～表 5。其中，表 2 為恒+活標(biāo)準(zhǔn)組合下懸挑梁端頭節(jié)點(diǎn)位移對比，表 3 為恒載工況下挑梁根部彎矩對比，表 4 為地震荷載工況下上層柱剪力對比，表 5 為地震荷載工況下柱彎矩對比。

圖 2 模型 A

圖 3 模型 B

表 1 主要構(gòu)件截面尺寸 mm

表 2 恒+活節(jié)點(diǎn)位移對比

表 3 恒載下挑梁彎矩對比

表 4 地震下柱剪力對比

表 5 地震下柱彎矩對比

由表 2～表 5 對比結(jié)果可知，設(shè)置懸挑梁端柱可使站廳層主要受力構(gòu)件內(nèi)力峰值降低，懸挑梁剛度有較大提高。雖然這將導(dǎo)致地震力略有增加，但增加幅度不大，且可以減小站廳層 2 框架柱的地震內(nèi)力。考慮到懸挑梁端部也需要設(shè)置填充墻的構(gòu)造柱，故選用模型 A 作為實(shí)施方案。至于抗水平剛度突變的問題，可以通過調(diào)整上下柱截面大小來解決。

圖 4 電纜夾層 2 柱和站廳層柱加密示意圖

圖 5 柱加密方案（縱向一跨）（單位：mm）

3 電纜夾層 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電纜夾層 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高度一般為 1.5 m，此高度由地鐵車輛車型參數(shù)控制，變動范圍較小。電纜夾層 2 橫剖面結(jié)構(gòu)分成左右 2 個(gè)單層塔，層高較下層站廳層要矮得多，與站廳層相比，此層極難滿足 GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》3.4.4 條第 2 條 3 款“樓層承載力突變時(shí)，薄弱層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層 65%”的規(guī)定。為滿足此規(guī)定，勢必要減小電纜夾層 2 的梁柱截面，否則就得加大站廳層的梁柱截面。另外一方面，如果電纜夾層 2 仍保持站廳層柱網(wǎng)布置，僅在站廳層柱位置設(shè)置柱子，縱向梁跨仍取約 18 m，即使按滿足基本組合工況要求設(shè)計(jì)，縱梁截面也不會很小。如果按 1/16 梁跨計(jì)算，梁高也會達(dá)到 1.1 m，電纜夾層 2 梁底部位凈空也只有 400 mm，這將難以在電纜夾層 2 布設(shè)電纜及維護(hù)檢修。

基于上述 2 點(diǎn)考慮，本工程采取了在電纜夾層 2 設(shè)置梁上柱的方式，以加密此層柱，減小梁跨度。具體辦法為，按對應(yīng)下層柱跨一分三的原則，在下層框架梁上每跨插入 2 個(gè)柱子（圖 4）。電纜夾層 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果為，加密柱 9～ 柱 12，柱 9～ 柱 12 設(shè)計(jì)截面為 350 mm×350 mm，縱向梁 13～梁 15 設(shè)計(jì)截面高為 450 mm（圖 5），橫向梁 19～梁 26（圖 2 中梁 19～26）設(shè)計(jì)截面高為 300 mm。這種設(shè)計(jì)極大優(yōu)化了使用凈空，改善了使用中的運(yùn)營維護(hù)條件，滿足了規(guī)范下層抗剪承載力不小于上層 0.65 倍的要求；其缺點(diǎn)是導(dǎo)致了豎向構(gòu)件不連續(xù)，但是通過采取有針對性的對應(yīng)措施，例如，采用全樓彈性板計(jì)算假定，加強(qiáng)抬柱梁細(xì)部設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)安全性是可以保證的。

4 區(qū)間橋梁支座牛腿設(shè)計(jì)

在車站兩縱向端頭與區(qū)間橋梁交接的位置，結(jié)構(gòu)上有 2 種做法：①區(qū)間橋梁與車站結(jié)構(gòu)間設(shè)置結(jié)構(gòu)縫分開；②2 種結(jié)構(gòu)不分開，在車站結(jié)構(gòu)端部設(shè)置牛腿支撐區(qū)間橋梁。本項(xiàng)目采用了后一種方式，以提高建筑結(jié)構(gòu)的簡潔性。

由于區(qū)間橋梁支座橫向間距較窄，若直接在框架梁上設(shè)置牛腿，則牛腿上還應(yīng)設(shè)置橫向梁支撐橋梁支座，該橫梁除主要承受豎向彎矩、剪力外，在縱向水平地震力下將受到水平面內(nèi)彎矩與剪力，受力大且復(fù)雜。為增加結(jié)構(gòu)安全性，本工程采用了在對應(yīng)區(qū)間橋梁支座處加設(shè)梁上牛腿柱（單層）的方式傳導(dǎo)區(qū)間橋梁荷載。同時(shí)，在框架柱上設(shè)置 4 個(gè)牛腿，牛腿間采用水平系梁連接，以提高結(jié)構(gòu)贅余度。邊榀橫向框架及牛腿關(guān)系如圖 6 所示。

為確保結(jié)構(gòu)安全性，本工程設(shè)計(jì)中采用了 SAP2000分析程序，建立了局部的牛腿柱、牛腿實(shí)體模型，以實(shí)體模型方式進(jìn)行牛腿局部受力分析。計(jì)算結(jié)果表明，如果采用傳統(tǒng)的牛腿截面，在牛腿下端面與柱斜交交點(diǎn)位置混凝土應(yīng)力集中明顯，如圖7所示，在基本組合工況下達(dá)到 19.5 MPa。為此，設(shè)計(jì)中按應(yīng)力和緩的原則，將此處平面斜交改為圓弧面過渡，其他條件不變，此時(shí)峰值應(yīng)力降至 12.919 5 MPa，見圖 8，應(yīng)力峰值較無圓弧面過渡設(shè)計(jì)（圖 7）降低了 33.3%。這樣做幾乎不增加工程量，且造型更為美觀。故本工程采用下面為弧形面的牛腿。

圖 6 區(qū)間橋梁支座牛腿三維圖

圖 7 區(qū)間橋梁支撐傳統(tǒng)牛腿應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖 8 區(qū)間橋梁支撐圓弧過渡牛腿應(yīng)力云圖（單位：MPa）

5 結(jié)束語

城市軌道交通橋建完全合一橫向單跨高架車站是一種較新穎又能滿足常規(guī)城市建設(shè)條件的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，在充分考慮車站建筑交通功能的基礎(chǔ)上，采取設(shè)置單層梁上柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可有效解決懸挑梁剛度小、電纜層層高小以及區(qū)間橋梁支座受力大且復(fù)雜的問題。設(shè)計(jì)表明，對于受力很大的鋼筋混凝土牛腿，其下斜面與柱之間采用圓弧倒角圓滑連接方式，可有效降低二者連接部位的局部壓應(yīng)力。

[1]趙毓成. 高架車站結(jié)構(gòu)形式分類及適用研究 [J]. 中國市政工程，2012（4）.

[2]宋佳剛. 橋建合一與橋建分離高架站房的對比分析[J]. 鐵道勘測與設(shè)計(jì)，2015（3）.

[3]王偉佳. 橋建合一框架結(jié)構(gòu)站房概述及設(shè)計(jì)分析方法探討[J]. 鐵道勘測與設(shè)計(jì)，2011（5）.

[4]趙濤.橋建合一高架車站結(jié)構(gòu)抗震分析方法探討[J].中國水運(yùn)，2013（5）.

[5]彭喆. 淺談“橋建合一”式高架車站抗震設(shè)計(jì)[J]. 鐵道勘測與設(shè)計(jì)，2015（4）.

[6]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 2010.