滬寧城際鐵路高架站橋梁設計與研究

龔俊虎,王庭正

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 工程概述

滬寧城際軌道交通工程是長三角地區城際軌道交通網規劃中的網絡主軸之一,全線長約300 km,線路走向基本平行于既有的滬寧鐵路,經由南京、鎮江、無錫、蘇州至上海,列車設計時速300 km。全線共設31個站點,其中南翔北、安亭北、花橋、昆山南及惠山等5個站設計為高架站。滬寧城際軌道交通工程于2010年7月建成通車,為滬寧之間的地區提供了大能力、高質量的“快速、公交化”新型交通運輸方式,對促進長三角區域經濟一體化快速發展具有重要意義。

滬寧城際鐵路安亭北、昆山南等5個高架站最大的特點就是均為“橋建合一”綜合體系[1],上部站房建筑采用空間管桁屋架結構,通過直徑為1 m或0.8 m的鋼管柱直接于橋梁結構上,站房屋架、橋梁聯為一體,整個結構體系受力復雜,結構制造精度與變形控制要求高,增大了計算分析和設計的難度。高架站房區的橋墩主要采用門式墩或矩形實體墩,軌道梁采用24 m或32 m預應力混凝土箱梁,站臺梁采用橫截面呈π形的預應力混凝土簡支梁。滬寧城際鐵路惠山高架站“橋建合一”立面布置見圖1。

圖1 滬寧城際鐵路惠山高架站“橋建合一”立面布置示意(單位：mm)

2 高架站橋墩設計研究

由于高架站的上部站房建筑直接支承于橋梁之上,因此橋墩除承受梁部自重及列車活載外,還要承受建筑結構傳至橋墩的巨大荷載,在這些荷載的組合作用[2]下,橋墩底部受到巨大的彎矩和剪力作用,因此,從結構受力的角度來考慮,橋墩很難設計為通常意義上的混凝土結構,而必須設計為鋼筋混凝土結構。考慮到橋墩抗震和混凝土延性設計[3]要求,橋墩的構造及配筋要求更為嚴格。如安亭北、花橋等高架站的橋墩設計上,墩柱為2.0 m×2.8 m的矩形截面,柱底豎向鋼筋采用2根1束φ28 mm、間距10 cm的鋼筋布置形式,如圖2所示。

圖2 門式墩立柱鋼筋布置橫截面 (單位：cm)

上部站房建筑通過直徑為100 cm或80 cm的鋼管柱通過埋入式柱腳[4,5]支承于橋墩上,屋架柱腳與橋墩連接的鋼混結合部受力復雜。為了抵抗屋架傳至橋墩的巨大軸力、剪力和彎矩,屋架柱腳除在柱底設置φ25 mm預埋錨栓錨固于墩頂外,還在鋼管柱底2.5 m高范圍內設置剪力釘與墩上混凝土支柱結合在一起,并在剪力釘外圍設置了φ12 mm環行箍筋和φ25 mm豎向抗彎鋼筋，如圖3所示。在整個設計過程中,都需要橋梁工程師與建筑結構工程師及時地溝通協作,充分考慮“橋”、“建”邊界結合部對高架站設計的影響。

圖3 屋架柱腳與橋墩的連接構造(單位：mm)

在站房區內,橋墩底部的地面層形成通暢的旅客進出站通道,橋墩不再是一般的橋梁下部結構,而成為站房內部建筑體系的重要組成部分,橋墩的設計直接關系到旅客對整個站房的感受。因此進行橋梁設計時,在保證結構安全的前提下,應盡量將橋梁設計成大跨、纖細型結構,避免粗大橋墩影響站房內部景觀。如花橋、惠山等高架站中采用了較多的門式墩[6],墩高11～14 m,橫向跨度6.5～9.5 m,墩柱為2.0 m×2.8 m或3.0 m×2.8 m的矩形截面,相鄰橋墩縱向距離設計為32.6 m,這樣就減小了大型橋梁結構造成的壓抑感,形成了開闊通透的視覺感受,同時也凸顯了高架站的宏偉氣勢。

在細節設計上,為了避免橋梁的排水管道體系影響橋墩美觀,將排水管設計成墩身內置式,在澆筑墩身混凝土前即將排水管預埋在墩身內,墩底排水管末端直接與站房區地下排水管道系統相連,極好地解決了排水、美觀以及旅客通行之間的矛盾。

3 高架站π形站臺梁設計研究

在高架站房區,列車在高架橋上行駛,為了形成便捷的旅客上下車通道,在高架正線之間或其外側設置了π形截面站臺梁。站臺梁跨度與其旁的正線高架橋相同,設計為縱向跨度32 m的π形預應力混凝土簡支梁(與列車走行軌道梁跨度相同),站臺梁高2.5 m,站臺梁頂與正線高架橋軌頂之間形成1.25 m的高差,列車到站時站臺梁頂與車廂內地板等高,大大方便了旅客上下車。如圖4所示。

圖4 站臺梁與軌道梁之間的高差示意(單位：mm)

根據每個高架站站房布局的不同分別設計成7.1、8.1、9.0、12.0 m等不同的橋面寬度,站臺梁橋面板厚30 cm,兩片縱梁在梁端寬100 cm,在跨中寬60 cm,在站臺梁上有雨棚柱的位置及梁端設有橫隔板,站臺梁橫向布置詳見圖5～圖6。

在高架站臺層和墩底地面層之間設置了樓梯、扶手電梯以及垂直升降電梯,樓梯或電梯位置對應的站臺梁橋面板上需開設預留洞,以使人流能夠在高架站臺層和墩底地面層之間通行。預留洞的開設,增大了π形站臺梁的設計難度。以南翔北高架站為例,π形站臺梁橋面板寬8.1 m,跨度32 m,橋面板上為樓梯、電梯開設的預留洞達3.9 m×12 m,如圖7所示,而站房區雨棚柱直接支承在站臺梁上,這樣站臺梁在樓梯預留洞附近和雨棚柱連接部位將同時受到彎、剪、扭組合外力的復合作用[7],受力非常復雜。空間有限元分析結果表明,在雨棚柱荷載單獨作用下,不開樓梯預留洞時,站臺梁底下緣產生約0.5 MPa的主拉應力；但開設樓梯預留洞后站臺梁底下緣的主拉應力最大達2.5 MPa(位于開洞附近部位),詳見圖8所示。由此可見,開設樓梯預留洞后,站臺梁開洞附近部位在雨棚柱腳荷載作用下的彎剪扭組合效應非常明顯。

圖5 橋面寬度為9 m的π形站臺梁橫截面(單位：cm)

圖6 橋面寬度為12 m的π形站臺梁橫截面(單位：cm)

圖7 南翔北高架站站臺梁樓梯預留洞示意(縱立面)(單位：cm)

圖8 雨棚柱荷載單獨作用正應力(單位：Pa)

為了保證結構設計的安全,相對于未開設樓梯預留洞的站臺梁,將開洞站臺梁的預應力筋由12根1束增加為15根1束。有限元分析結果表明,采取上述措施后,在最不利荷載組合作用下站臺梁底下緣仍有約5.0 MPa的壓應力儲備(圖9),但開洞附近雨棚柱下方梁體混凝土局部主拉應力最大達2.0 MPa,為此在有雨棚柱一側梁體配置了φ20 mm的抗扭箍筋及抗扭縱筋。

在昆山南高架站中,站臺梁橋面板寬12 m,π形截面站臺梁的2片縱梁中心距為8 m,橫向寬度的增大,造成站臺梁橋面板橫向受力不利。有限元分析結果表明,如直接參照9.0 m寬站臺梁將橋面從中間向兩邊加寬3 m,形成12 m寬站臺梁,不采取其他構造措施,則橋面板橫向拉應力最大達1.5 MPa。為了改善橋面板的橫向受力,在站臺梁2片縱梁之間增設了1道高50 cm的縱肋,同時增設1道橫隔板,橫隔板最大縱向間距由10.9 m減小為6 m,最終將橋面板分割在較小的格構內傳力。空間有限元分析結果表明,采取上述改善措施后,橋面板最大橫向拉應力為0.5 MPa(圖10(a))。同時,由于橫向跨度較大,橫隔板下緣的拉應力最大達1.2 MPa(圖10(b)),為此在橫隔板截面下緣配置了φ25 mm、間距10 cm的普通鋼筋,增強了結構整體抗裂性能。

圖9 組合力作用下的正應力(單位：Pa)

圖10 12 m寬站臺梁橫向應力分布圖(單位：Pa)

4 屋架結構與橋梁結構之間的傳力與連接構造

滬寧城際鐵路5座高架站均設計為復雜的“橋建合一”綜合結構體系,屋架柱或雨棚柱等建筑結構直接支承在橋墩或π形梁之上,橋墩或站臺梁必須承受建筑結構傳來的結構自重、風荷載、地震荷載等。但是現行建筑鋼結構設計規范采用基于概率論的極限狀態法進行設計[8],而現行鐵路橋梁設計規范則采用容許應力法進行設計[9],這必然給建筑結構與橋梁結構之間荷載值的相互傳遞引用帶來麻煩。

為了解決“橋建合一”綜合結構體系橋梁和屋架設計方法不同帶來的荷載值引用問題,在進行屋架和雨棚設計時采用結構內力的設計值,而建筑結構傳至橋梁結構的力則采用建筑結構支承反力的標準值,并將其作為外力施加到橋梁上進行橋梁結構設計。

在高架站中,相鄰兩個屋架柱之間(間距32.6 m)設置雨棚柱,雨棚柱(φ80 cm鋼管)采用埋入式柱腳,預埋于站臺梁的縱梁和橫隔板交叉節點部位,通過剪力釘和加勁鋼板與站臺梁形成整體,站臺梁除承受自重、人群荷載等之外,還要承受由雨棚柱傳來的集中荷載,因此雨棚柱腳與站臺梁連接的鋼混結合部受力復雜。為了防止柱腳部位的混凝土結構局部應力集中,對雨棚柱腳附近混凝土進行了局部加強并配置防裂鋼筋(圖11),保證了站臺梁和雨棚柱連接的可靠性。

圖11 站臺梁與雨棚柱的連接構造(單位：cm)

5 結論

(1)高架站橋墩除承受梁部自重及列車活載外,還要承受建筑結構傳至橋墩的巨大荷載,墩底受到巨大的彎矩和剪力作用,應嚴格按鋼筋混凝土結構配置鋼筋,增強橋墩抗裂性能。

(2)高架站橋墩底部的地面層形成通暢的旅客進出站通道,橋墩不再是一般的橋梁下部結構,而成為站房內部建筑體系的重要組成部分,因此在保證結構安全的前提下,應盡量將橋梁設計成纖細、大跨型結構,避免粗大橋墩影響站房內部景觀,形成開闊通透的視野。

(3)開設樓梯預留洞的π形截面站臺梁,其開洞附近部位在雨棚柱荷載作用下的彎剪扭組合效應非常明顯,應適當增設預應力筋并配置抗扭鋼筋,以加強站臺梁的抗剪和抗扭性能。

(4)橫向寬度為12 m的π形截面站臺梁,處于橫向受力較為不利的狀態,其橋面板和橫隔板下緣均應加強配筋。橫隔板能有效改善站臺梁橋面板的橫向受力,可適當增設橫隔板,將橋面板分割在較小的格構內傳力。

(5)屋架鋼管柱與橋墩的鋼混結合部以及雨棚柱與站臺梁的鋼-混結合部局部受力復雜,通過加強局部混凝土、設置抗剪栓釘、預埋錨栓錨固等措施,保證了鋼混結合部連接的可靠性。

[1] 史娣.武漢站橋建合建結構橋梁設計的關鍵技術研究[J].橋梁建設,2008(6):34-36．

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范[S].北京:中國鐵道出版社,2008．

[3] 中華人民共和國建設部.GB50111—2006 鐵路工程抗震設計規范[S].北京:中國計劃出版社, 2006．

[4] 李星榮,魏才昂等.鋼結構連接節點設計手冊[M].2版.北京:中國建筑工業出版社,2004．

[5] 朱艦,馬山積,李衛東.淺議鋼結構柱腳抗剪鍵的設計[J].陜西建筑,2009(2):11-12．

[6] 田萬俊.預應力混凝土框架墩設計研究[J].鐵道標準設計.2003(8):67-69．

[7] 段海東,朱爾玉,徐剛.單軌交通軌道梁的抗扭設計分析[J].鐵道建筑,2008(2):16-18．

[8] 中華人民共和國建設部.GB50017—2003 鋼結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2003．

[9] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2009.