軌道交通高架車站鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)協(xié)同分析

王偉濤

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

軌道交通高架車站站臺雨棚是為站臺上旅客候車、乘車提供遮風(fēng)擋雨的建筑物，是高架車站重要的組成部分。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，雨棚的結(jié)構(gòu)形式也由過去低矮粗重的混凝土結(jié)構(gòu)形式變成更加輕巧，便于安裝和維修的鋼結(jié)構(gòu)雨棚形式[1]。在軌道交通結(jié)構(gòu)工程中下部主體混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常與上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚組合應(yīng)用。由于軌道交通高架車站自身的設(shè)計特點(diǎn)，在車站基礎(chǔ)及下部主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入設(shè)計階段時，車站上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚才進(jìn)入方案階段，車站上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚的設(shè)計常常滯后于下部主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。由于高架車站結(jié)構(gòu)采用兩種不同的材料及結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)階段，多數(shù)設(shè)計單位對此類混合結(jié)構(gòu)在設(shè)計時，通常采用把上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚與下部主體混凝土結(jié)構(gòu)分開進(jìn)行簡化模型計算[2]。在計算上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚時，將下部混凝土結(jié)構(gòu)簡化為鉸接支座或固接支座等支撐約束。在計算下部混凝土結(jié)構(gòu)時，將上部鋼結(jié)構(gòu)荷載及質(zhì)量進(jìn)行等效施加在下部混凝土結(jié)構(gòu)上[3]。兩種混合結(jié)構(gòu)在分開計算時，忽視上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚實(shí)際剛度和空間效應(yīng)對下部主體結(jié)構(gòu)的影響；忽視高架車站上部結(jié)構(gòu)在整體計算時，混凝土作為鋼結(jié)構(gòu)雨棚的基礎(chǔ)，在支承剛度、混凝土收縮、徐變等因素對上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚的影響，兩者之間的協(xié)調(diào)工作未能充分考慮。由于兩種結(jié)構(gòu)材質(zhì)在質(zhì)量和剛度分布上的不同，導(dǎo)致兩者在地震作用、風(fēng)荷載等動力荷載作用下產(chǎn)生差別[4]，導(dǎo)致計算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大差異。

針對成都軌道交通高架車站站臺鋼結(jié)構(gòu)雨棚與下部混凝土主體結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，采用有限元數(shù)值分析，找出分開獨(dú)立計算和整體協(xié)同計算結(jié)構(gòu)的差異和規(guī)律，為同類型工程的設(shè)計及施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

成都軌道交通高架車站上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚與下部混凝土主體結(jié)構(gòu)建筑效果見圖1。由于受周邊道路及景觀的影響，常見的車站結(jié)構(gòu)形式有單墩柱、雙墩柱結(jié)構(gòu)和三柱結(jié)構(gòu)。車站總長186 m，車站計算單元取93 m，車站主體寬22.4 m，兩側(cè)站臺寬3.2 m。站廳層單墩柱結(jié)構(gòu)柱截面為2.0 m×3.0 m，雙墩柱結(jié)構(gòu)柱截面為1.5 m×1.6 m，三柱結(jié)構(gòu)邊柱截面為1.0 m×1.0 m，中柱截面為1.2 m×1.2 m；站臺層邊柱截面為0.5 m×0.5 m，中柱截面為0.4 m×0.4 m；鋼結(jié)構(gòu)雨棚主鋼架截面為500 mm×300 mm×12 mm×16 mm。單墩柱和雙墩柱結(jié)構(gòu)最大懸挑長度為7.8 m。

圖1 高架車站主體結(jié)構(gòu)及雨棚整體效果圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)取值及工況組合

在工程設(shè)計中荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)，取值的合理性將直接影響結(jié)構(gòu)的安全性、使用性和經(jīng)濟(jì)性。高架車站結(jié)構(gòu)在計算時應(yīng)考慮荷載有：結(jié)構(gòu)自重、恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、列車荷載、溫度效應(yīng)和地震作用等。

2.1 計算模型

高架車站結(jié)構(gòu)受力分析采用Midas/Civil有限元程序，建立三維空間有限元模型。模型主要包含基礎(chǔ)承臺，主體混凝土結(jié)構(gòu)和屋面鋼結(jié)構(gòu)雨棚。其中混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)采用梁單元，雨棚與車站主體整體協(xié)同計算時，雨棚柱腳采用剛性連接；雨棚單獨(dú)計算時柱腳同樣采用剛性連接，當(dāng)采用簡化的鉸接支座連接時會導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果不安全[5]；車站結(jié)構(gòu)計算時應(yīng)考慮土體對樁基的約束，采用土彈簧進(jìn)行模擬，以橋規(guī)中樁基的“m”法[6]確定。

2.2 設(shè)計參數(shù)

高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100年[7-8]，車站的抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，耐久性為100年，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。

(1)列車荷載[9]：本工程采用A型車，軸重P=80 kN，8A編組(采用MIDAS Civil移動荷載工況施加列車荷載)，對于承受其他相關(guān)的列車荷載按照TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》[10]取值。(2)地震作用：成都市抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度值0.10g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，地震動反應(yīng)譜特征周期值Tg=0.45 s。根據(jù)GB5011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》及CECS160：2004《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則》可以得到設(shè)計使用年限為100年時，結(jié)構(gòu)的地震作用調(diào)整系數(shù)取1.3～1.4，因此取αmax=0.112。(3)其他荷載：基本風(fēng)壓、基本雪壓、溫度作用等按照文獻(xiàn)[11]取值。

2.3 荷載工況組合

在荷載工況組合時，考慮以上所列各項(xiàng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)計算結(jié)構(gòu)橫橋、縱橋方向位移時，荷載按照主力、附加力和特殊荷載分類，其荷載組合按照GB50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》執(zhí)行[12]；當(dāng)計算結(jié)構(gòu)最大層間位移比及最大層間位移角時，荷載組合按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》執(zhí)行[13]。

3 協(xié)同計算結(jié)果對比分析

根據(jù)高架車站建筑方案要求，結(jié)合車站規(guī)模、周邊道路及市政景觀等，分別從單墩柱、雙墩柱、三柱車站結(jié)構(gòu)3種主體結(jié)構(gòu)形式和上部鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同作用對比分析。結(jié)構(gòu)協(xié)同計算及上部鋼結(jié)構(gòu)三維模型如圖2～圖5所示。

圖2 單墩柱車站整體三維模型

圖3 雙墩柱車站整體三維模型

圖4 三柱車站整體三維模型

圖5 雨棚整體三維模型

3.1 結(jié)構(gòu)動力特性對比分析

對于車站上部無鋼結(jié)構(gòu)雨棚的主體結(jié)構(gòu)，在計算下部混凝土結(jié)構(gòu)時[14-16]，將上部鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載質(zhì)量等效；對于車站上部有雨棚的主體結(jié)構(gòu)，采用整體計算。兩種結(jié)構(gòu)按特征值向量法進(jìn)行模態(tài)分析，見表1～表3。

表1 單墩柱車站上部有雨棚、無雨棚的周期及振型

表2 雙墩柱車站上部有雨棚、無雨棚的周期及振型

表3 三柱車站上部有雨棚、無雨棚的周期及振型

從表1～表3可以得出，車站無鋼結(jié)構(gòu)雨棚和車站有鋼結(jié)構(gòu)雨棚周期比均滿足規(guī)范限值要求；車站無鋼結(jié)構(gòu)雨棚周期均比車站有鋼結(jié)構(gòu)雨棚周期小，三柱車站協(xié)同作用下振型與車站上部結(jié)構(gòu)獨(dú)立計算下結(jié)構(gòu)的振型模態(tài)差異較大。分析表明，鋼結(jié)構(gòu)雨棚的剛度在協(xié)同計算時對車站結(jié)構(gòu)整體剛度有一定的影響，結(jié)構(gòu)模型在協(xié)同計算時振型模態(tài)多由上部鋼結(jié)構(gòu)控制[17]，結(jié)構(gòu)主體獨(dú)立計算不能真實(shí)反映車站結(jié)構(gòu)整體剛度。由于阻尼比直接影響結(jié)構(gòu)地震作用下的特征模態(tài)，對于上部鋼結(jié)構(gòu)和下部混凝土結(jié)構(gòu)的軌道交通高架車站結(jié)構(gòu)，不宜采用固定阻尼比進(jìn)行地震作用分析[18]，還需進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié)構(gòu)位移及位移角對比分析

對于高架車站結(jié)構(gòu)的橫向位移和縱向位移在鐵路橋規(guī)和建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范中都有明確要求，也是反映結(jié)構(gòu)平面規(guī)則與否的重要依據(jù)，目的是使結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置更加有效、合理。在地震作用下主體結(jié)構(gòu)模型與上部鋼結(jié)構(gòu)模型協(xié)同作用和獨(dú)立作用下車站橫向(Y向)和車站縱向(X向)的位移及位移角如表4～表6所示。

表4 單墩柱結(jié)構(gòu)兩種計算模型的位移及位移角

表5 雙墩柱結(jié)構(gòu)兩種計算模型的位移及位移角

表6 三柱結(jié)構(gòu)兩種計算模型的位移及位移角

從以上3種結(jié)構(gòu)形式層間位移最大值可知，對比獨(dú)立和整體計算兩者數(shù)值，地震作用下整體模型層間位移角值多數(shù)大于獨(dú)立模型[19]。下部混凝土結(jié)構(gòu)模型獨(dú)立計算和整體協(xié)同計算位移值最大相差1.98%，計算結(jié)果較為接近。層間位移角最大值滿足按照建筑抗震規(guī)范對于現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)柱頂位移1/550限值的要求；層間位移最大值滿足按照鐵路橋規(guī)對于墩頂縱橫向彈性水平位移的限制要求。因此層間位移最大值獨(dú)立和整體計算均滿足兩種規(guī)范要求。

3.3 結(jié)構(gòu)柱底剪力對比分析

對于高架車站上部無雨棚的主體結(jié)構(gòu)獨(dú)立作用和車站上部有雨棚的主體結(jié)構(gòu)協(xié)同作用分別按CQC法計算地震作用下的柱底剪力，如圖6～圖8所示。

圖6 單墩柱結(jié)構(gòu)兩種計算模型的柱底剪力

圖7 雙墩柱結(jié)構(gòu)兩種計算模型的柱底剪力

圖8 三柱結(jié)構(gòu)兩種計算模型的柱底剪力

從圖6～圖8可知，在地震反應(yīng)譜作用下，高架車站主體結(jié)構(gòu)在無上部鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)立計算時比大多數(shù)有上部鋼結(jié)構(gòu)協(xié)同計算的柱底剪力大。從數(shù)值上分析，雙墩柱車站及三柱車站結(jié)構(gòu)協(xié)同計算與車站主體結(jié)構(gòu)獨(dú)立計算差值很??；但從圖6可知，單墩柱結(jié)構(gòu)在反應(yīng)譜作用下X向的柱底剪力，在主體結(jié)構(gòu)整體計算時比其下部混凝土結(jié)構(gòu)獨(dú)立計算時大約12%，單墩柱車站主體結(jié)構(gòu)獨(dú)立模型進(jìn)行計算時相比協(xié)同計算偏于不安全。由此可見，在地震作用下上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚對主體結(jié)構(gòu)的影響尤其是單墩柱車站不能輕易忽視。

3.4 上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚屈曲對比分析

由于上部鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)立計算時邊界條件為鋼結(jié)構(gòu)支座固接或鉸接，整體協(xié)同計算時鋼結(jié)構(gòu)支座連接于下部混凝土結(jié)構(gòu)，兩種計算模型在混凝土支承剛度、混凝土收縮、徐變等因素下存在差異，不完全相同。因此對于上部鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)獨(dú)立模型和結(jié)構(gòu)整體模型，在滿跨活荷載作用下屈曲臨界荷載[20]見圖9～圖12及表7。

圖9 單墩柱結(jié)構(gòu)協(xié)同計算第一階屈曲臨界荷載

圖10 雙墩柱結(jié)構(gòu)協(xié)同計算第一階屈曲臨界荷載

圖11 三柱結(jié)構(gòu)協(xié)同計算第一階屈曲臨界荷載

圖12 鋼結(jié)構(gòu)雨棚獨(dú)立計算第一階屈曲臨界荷載

從表7可以得出，高架車站鋼結(jié)構(gòu)屈曲臨界荷載獨(dú)立計算時比上部鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)協(xié)同計算時都要小；協(xié)同計算時屈曲臨界荷載三柱車站小于雙墩車站，雙墩車站小于單墩車站；從圖9～圖11可知，雨棚獨(dú)立計算時臨界荷載的位置明顯發(fā)生變化，出現(xiàn)在端部。分析結(jié)果主要是：鋼結(jié)構(gòu)單獨(dú)計算時柱腳支承剛度大于協(xié)同計算剛度；三種類型的高架車站協(xié)同計算的支承剛度，三柱車站大于雙墩車站，雙墩車站大于單墩車站。分析表明：鋼結(jié)構(gòu)腳部的支撐剛度對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有很大的影響，鋼結(jié)構(gòu)的屈曲臨界荷載協(xié)同計算相比上部鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)立計算偏于安全。

表7 上部鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)立模型和結(jié)構(gòu)整體模型屈曲臨界荷載

4 結(jié)論

(1)高架車站結(jié)構(gòu)動力特性進(jìn)行分析時，車站無雨棚鋼結(jié)構(gòu)和車站有雨棚鋼結(jié)構(gòu)周期比均滿足規(guī)范限值要求；考慮上部鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用計算，結(jié)構(gòu)的周期明顯大于獨(dú)立計算的結(jié)果，上部鋼結(jié)構(gòu)的剛度對結(jié)構(gòu)整體計算起有利作用。

(2)高架車站地震作用分析時，結(jié)構(gòu)整體模型節(jié)點(diǎn)位移和柱底反力均與獨(dú)立車站主體結(jié)構(gòu)存在差異，其中雙墩柱及三柱車站結(jié)構(gòu)差異較小，考慮車站主體結(jié)構(gòu)獨(dú)立模型計算相比協(xié)同作用的整體模型計算偏于安全。但是對于單墩柱車站兩者差異較大，在主體結(jié)構(gòu)設(shè)計時不能忽視考慮上部鋼結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的影響。

(3)不同類型的高架車站主體結(jié)構(gòu)與上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚協(xié)同計算的鋼結(jié)構(gòu)屈曲臨界荷載，主體結(jié)構(gòu)對鋼結(jié)構(gòu)腳部的支撐剛度影響不同，鋼結(jié)構(gòu)的屈曲臨界荷載存在差異，但是相比上部鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)立計算偏于安全。

(4)軌道交通高架車站應(yīng)考慮上部鋼結(jié)構(gòu)和下部混凝土結(jié)構(gòu)協(xié)同計算，車站結(jié)構(gòu)協(xié)同計算模型與實(shí)際情況更加吻合，結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。

(5)高架車站建議在建設(shè)及設(shè)計過程中，應(yīng)在初步設(shè)計階段對其上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚進(jìn)行造型及方案確認(rèn)，車站上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚設(shè)計要先于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供較為準(zhǔn)確的設(shè)計方案和上部荷載。