杭州東站線下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文功啟

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，武漢 430063)

1 工程概況

近年來伴隨著我國客運(yùn)專線的發(fā)展，新型站房的設(shè)計(jì)理念發(fā)生了很大的變化。作為城市的綜合交通樞紐，按照以人為本的宗旨，直上型高架站房成為了設(shè)計(jì)的首選。上海虹橋站、南京南站以及西安站采用了建橋合一的結(jié)構(gòu)形式，此種結(jié)構(gòu)與軌道層以上的建筑相呼應(yīng)，整體性好，且能充分利用空間布局，視覺簡潔通透，成為了近年來大型車站軌道層結(jié)構(gòu)方案的首選。

杭州鐵路樞紐是“四縱四橫”客運(yùn)網(wǎng)中滬昆快速客運(yùn)通道和滬杭甬深沿?？焖偻ǖ郎系闹匾?jié)點(diǎn)，同時(shí)也是長江三角洲城際鐵路網(wǎng)上的省會(huì)車站之一，在杭州綜合交通運(yùn)輸體系中有舉足輕重的作用。站場范圍內(nèi)有寧杭甬場、滬杭長場、浙贛改3個(gè)車場，共15臺(tái)30線(含正線)。車場之上設(shè)車站站房，車場下面設(shè)地下通道，通道下面為杭州地鐵1號(hào)、4號(hào)線車站及部分區(qū)間。

杭州東站線路采用直線平坡設(shè)計(jì)，均為有砟軌道，采用60 kg/m鋼軌;采用的設(shè)計(jì)活載除浙贛上、下繞行線采用“中－活載”外，其他如寧杭甬、滬杭長正線及各到發(fā)線均為鐵路“ZK活載”，地震抗震烈度為6度，按7度設(shè)防;結(jié)構(gòu)使用年限為100年。站址所處地層主要為粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂，下伏基巖為凝灰質(zhì)砂巖［1］。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)

2.1 柱網(wǎng)布置

基于杭州東站規(guī)模大，空間布局復(fù)雜的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)選型與布置上要充分考慮站房、線路以及地鐵的影響，最終確定線下工程主體結(jié)構(gòu)采用建橋合一的結(jié)構(gòu)體系，即型鋼混凝土(SRC)縱橫梁格構(gòu)結(jié)構(gòu)。其中，寧杭(78線)、滬杭(1920線)及浙贛繞行(2829線)正線采用獨(dú)立的梁式橋方案，以減少正線列車通過對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響。

縱橫梁格構(gòu)體系順線路方向跨度為(21.7+21.7+24.8+21.7+21.7)m，柱縱向中心跨度111.6 m，柱橫向(C－Q柱)寬330.1 m。軸編號(hào)為數(shù)字11～16。到發(fā)線橫向采用“大柱網(wǎng)”布置，即取消一般站臺(tái)梁下立柱，橫向跨度21.5～25.5 m，軸編號(hào)由字母C～Q組成。其中，C軸到D軸(基本站臺(tái)處)的跨度25.5 m，P軸到浙贛繞行線跨度為26.5 m，浙贛繞行線到Q軸為20.05 m，其他均為21.5 m。滬杭正線處的柱網(wǎng)在27線附近考慮下地鐵樓梯口的布置作了局部調(diào)整。在E、H、N軸處設(shè)置了出租車通道，考慮通道寬度對(duì)邊柱位置進(jìn)行了調(diào)整。圖1給出寧杭正線到滬杭正線間的柱網(wǎng)布置情況(13軸與14軸對(duì)稱)。

主橫梁的布置間距與跨度對(duì)應(yīng)，在每兩主橫梁KL1間布置3根次橫梁KL2;縱梁ZL1位于到發(fā)線雙間中心，與主立柱相連，每根ZL1邊(一般相距4.8 m)布置2根次縱梁ZL2，保證列車靠停時(shí)結(jié)構(gòu)受力的合理性。立柱、橫梁及縱梁交叉連接，在型鋼混凝土澆筑完成，與橋面板一起形成了空間格構(gòu)體系，如圖2所示。

2.2 立柱構(gòu)造

立柱為三向壓彎剪構(gòu)件，為充分發(fā)揮立柱的承載力，到發(fā)線立柱采用了鋼管混凝土組合構(gòu)件。為了建筑的美觀，除11與16軸的立柱采用方形柱外，12～15軸均采用圓形柱。與主縱、橫梁連接的主立柱直徑采用2.0 m。

在與縱橫梁連接的上、下翼緣中心處對(duì)應(yīng)各設(shè)置橫隔板，板厚40 mm;在此2塊橫隔板之間設(shè)置12個(gè)豎向加勁肋，肋寬300 mm，環(huán)形布置。在通道面以上、梁底以下范圍內(nèi)設(shè)置2塊厚36 mm的橫隔板。柱腳深埋入承臺(tái)，預(yù)埋深度4.2 m，并通過環(huán)向設(shè)置的4根牛腿保證柱與承臺(tái)間共同受力。在承臺(tái)一次澆筑線內(nèi)設(shè)置預(yù)埋錨栓。柱腳設(shè)計(jì)要保證一定的預(yù)埋深度，錨栓及預(yù)埋底板的強(qiáng)度及穩(wěn)定滿足相關(guān)要求，且柱周邊混凝土的抗壓強(qiáng)度在設(shè)計(jì)容許范圍內(nèi)。

圖2 部分結(jié)構(gòu)橫斷面(單位:cm)

2.3 縱橫梁構(gòu)造

受通道凈空≥6 m的影響，梁高要盡可能地小，除滿足強(qiáng)度、疲勞的要求外，還要滿足消防及結(jié)構(gòu)耐久性等要求。綜合考慮各種因素，縱、橫梁選用了型鋼混凝土組合構(gòu)件。

以主縱梁為例，該型鋼－混凝土構(gòu)件縱向位于軌行區(qū)的正中間，梁高在梁端為3.0 m，通過2.0 m過渡段，梁高漸變?yōu)?.5 m，梁寬1.8 m。型鋼翼緣板寬1.2 m，厚50 mm;腹板厚40 mm。梁外包混凝土上頂面與型鋼上翼緣頂距離130 mm，下底面距下翼緣底120 mm，混凝土中主筋φ25 mm，雙筋布置，在梁側(cè)面按構(gòu)造要求設(shè)置φ16 mm縱向架立筋;箍筋φ16 mm，在梁端加密區(qū)間距100 mm，其他間距100～120 mm，橫斷面如圖3所示。

圖3 主縱梁典型橫斷面(單位:mm)

為增強(qiáng)鋼混結(jié)構(gòu)共同受力，根據(jù)梁端水平剪力以及節(jié)點(diǎn)區(qū)負(fù)彎矩峰值的分布規(guī)律，在梁端4.5 m范圍內(nèi)翼緣鋼板上布置了剪力釘，并滿足栓釘布置范圍不小于2倍柱高的構(gòu)造要求。

2.4 梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造［2］

受結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的影響，梁柱節(jié)點(diǎn)處有很大的雙向負(fù)彎矩，疲勞問題突出，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。梁柱節(jié)點(diǎn)特別是主立柱與主縱梁、主橫梁的連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)構(gòu)造是本結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)之一。

節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)采用栓、焊連接的方式，即腹板采用高強(qiáng)螺栓連接，上、下翼緣采用焊接，此種構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)大大減少了現(xiàn)場焊接工作量，避開腹板較長的立焊縫，利于提高現(xiàn)場工效;(2)有利于型鋼混凝土構(gòu)件節(jié)點(diǎn)區(qū)上翼緣鋼筋布置。在立柱上焊接外環(huán)板，板厚與縱、橫梁翼緣板相對(duì)應(yīng);在兩板環(huán)板之間設(shè)置豎向加勁板，板厚與縱、橫梁腹板對(duì)應(yīng)。整個(gè)節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)部分在工廠加工，與立柱段整體加工并發(fā)送。

為保證節(jié)點(diǎn)受力的整體性，與型鋼－混凝土梁相對(duì)應(yīng)，環(huán)柱周邊設(shè)置了混凝土外包，外包混凝土中設(shè)置2～3層環(huán)向鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)穿過型鋼的腹板。梁體主鋼筋在通過節(jié)點(diǎn)時(shí)，焊接在環(huán)向加強(qiáng)板上，板寬120 mm，厚50 mm，通過雙面角焊縫與塞焊的形式與翼緣板可靠連接。

2.5 施工方法

在基礎(chǔ)施工完成后，梁柱節(jié)點(diǎn)就位，泵送灌注鋼管混凝土，然后拼裝軌道層縱、橫梁，支架立?，F(xiàn)澆橋面型鋼混凝土梁及橋面。由于橋面屬超長大面積結(jié)構(gòu)，每隔40 m左右設(shè)計(jì)1道后澆帶，以減少溫度荷載作用的內(nèi)力。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 主體結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

目前國內(nèi)針對(duì)新型“建橋合一”結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)仍沒有統(tǒng)一的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)可遵循，一般要求“雙控”，即同時(shí)滿足建筑相關(guān)規(guī)范要求，也要滿足鐵路相關(guān)規(guī)范要求。

建橋合一結(jié)構(gòu)的主要受力特點(diǎn):(1)由于構(gòu)件承受較大的鐵路活載，大大增強(qiáng)了縱橫梁計(jì)算的復(fù)雜程度，荷載工況多，鋼結(jié)構(gòu)尤其是節(jié)點(diǎn)處疲勞特征突出;(2)縱橫梁體系表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間效應(yīng)，結(jié)構(gòu)之間相互影響。在杭州東站線下工程中，軌道層與上部雨棚建筑相連，通道立柱與地鐵結(jié)構(gòu)相連，計(jì)算邊界條件復(fù)雜;(3)結(jié)構(gòu)體系連續(xù)，溫度荷載的效應(yīng)明顯。在本設(shè)計(jì)中，立柱溫度荷載引起的結(jié)構(gòu)彎矩占總彎矩荷載的70%以上。

鑒于建橋合一結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，利用有限元軟件Midas建立空間有限元模型，將軌上建筑結(jié)構(gòu)，線下結(jié)構(gòu)及地鐵、通道分別采用空間梁單元和空間板單元進(jìn)行建模分析。樁－土相互作用采用群樁模擬進(jìn)行，樁側(cè)采用彈性邊界，彈簧剛度采用“m”法計(jì)算，在樁底作剛性固定。

3.2 縱橫梁檢算

我國現(xiàn)行的型鋼混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程主要有《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(YB 9082—97)［1］和《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 138—2001)［3-4］。文獻(xiàn)［5-8］介紹了國內(nèi)關(guān)于型鋼混凝土計(jì)算現(xiàn)狀。

由于杭州東站線下工程為“建橋合一”體系。為了保證結(jié)構(gòu)安全合理，在本工程中，對(duì)不同規(guī)范進(jìn)行了比較計(jì)算，最后確定采用鐵路容許應(yīng)力法對(duì)型鋼混凝土縱、橫梁進(jìn)行承載力計(jì)算。文獻(xiàn)［9］詳細(xì)介紹了型鋼混凝土容許應(yīng)力法的推導(dǎo)，并編制了相應(yīng)的計(jì)算程序，適應(yīng)鐵路荷載多工況的特點(diǎn)，對(duì)型鋼、混凝土及鋼筋作全面檢算。結(jié)合以上分析，對(duì)縱、橫梁型鋼混凝土組合構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 型鋼混凝土構(gòu)件容許應(yīng)力法檢算結(jié)果

3.3 節(jié)點(diǎn)檢算［10］

由于整體分析采用空間梁、板模型，其分析結(jié)果無法反映出局部受力狀況，而框架結(jié)構(gòu)的立柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)考慮的因素多，受力條件復(fù)雜，因此采用板殼單元和實(shí)體單元建立節(jié)點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行細(xì)部分析，提取節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力分析結(jié)果和桿件應(yīng)力結(jié)果，為桿件的設(shè)計(jì)提供依據(jù)就顯得十分重要。本次利用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)杭州東站典型立柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線性計(jì)算，根據(jù)圣維南原理和縱橫梁剛架體系受力特點(diǎn)，計(jì)算了節(jié)點(diǎn)處鋼筋、型鋼，混凝土的應(yīng)力。建立有限元模型如圖4、圖5所示。

圖4 縱橫梁混凝土、型鋼骨架和鋼筋模型

圖5 立柱混凝土、鋼管、加勁板和鋼筋模型

計(jì)算結(jié)果表明:縱橫梁混凝土最大壓應(yīng)力為20 MPa;縱橫梁型鋼骨架最大Von-Mises應(yīng)力為154 MPa;縱橫梁縱向受力鋼筋最大軸向應(yīng)力為114 MPa;立柱混凝土最大軸向壓應(yīng)力為13 MPa;立柱鋼管最大Von-Mises應(yīng)力為179 MPa;節(jié)點(diǎn)上下加強(qiáng)環(huán)板最大Von－Mises應(yīng)力為113 MPa，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)合理，安全性可以得到保證。

4 結(jié)語

本文對(duì)杭州東站線下工程總體設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，詳細(xì)介紹了縱橫梁、立柱、節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)理念及構(gòu)造措施，并采用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)靜力、節(jié)點(diǎn)細(xì)部進(jìn)行建模分析。結(jié)果顯示:杭州東站線下工程采用結(jié)構(gòu)體系受力合理，構(gòu)件受力滿足規(guī)范要求。該設(shè)計(jì)思路可為相似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究提供借鑒。目前杭州東站地下通道線下工程已施工完成。

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