哈大客運專線沈陽站站房結構設計與分析

蔡玉軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

哈大客運專線沈陽站站房結構設計與分析

蔡玉軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

哈大客運專線沈陽站主站房結構采用“建橋合一”的大跨預應力混凝土框架結構體系。針對“地下通道樁基與下部地鐵盾構的相互影響”進行了專項論證;站臺層列車正線處設置雙柱與到發線分離,形成連續剛構橋,有效地減小高速列車通過對上部候車廳層舒適度的影響;商業夾層局部采用大跨鋼桁架樓蓋,對其豎向加速度對旅客舒適度的影響進行了分析,應用TMD減振技術有效地緩解了結構豎向加速度峰值。屋蓋采用67.0m跨桁架拱結構,以實現結構與建筑完美結合。

鐵路客站;建橋合一;地鐵盾構;剛構橋;舒適度;TMD

1 工程概況

哈大客運專線沈陽站站房在既有站房的基礎上進行改、擴建,地下一層為地下出站通道,上部結構分為站臺層、候車層和商業夾層。新建主站房平面投影為T字形,翼緣長(平行于鐵軌方向)175 m,腹部寬(平行于鐵軌方向)103 m,腹部長(垂直于鐵軌方向)約220 m;站房兩側為無站臺柱雨棚。

地下出站通道位于站房中心,地面高程為-11.50 m,寬55 m(其中31.0 m為市政聯系通道);站臺層地面高程為±0.00 m,站臺、進站廣廳、售票廳、貴賓室設在該層;候車層樓面高程為9.00 m,設有候車廳和餐飲區;商業夾層樓面高程為17.00 m,由商業和設備用房組成;屋面分為普通混凝土屋面、鋼結構拱形屋面及網架屋面。地下通道正下方設有地鐵盾構區間,地鐵盾構區間為左右雙線,左右線的中心距由15 m到12 m緩和過渡,地鐵盾構管片外徑均為6.0 m,盾構區間走向為東高西底。站房施工期間,下方地鐵已開通運營。

沈陽站效果見圖1,站房橫剖面示意見圖2。

圖1 沈陽站建筑效果圖

圖2 沈陽站橫剖面示意(單位:mm)

2 主要技術標準

站臺層橋梁結構的設計基準期與設計使用年限均為100年,而該建筑結構的設計基準期和設計使用年限為50年,作為“建橋合一”的大型旅客站房,根據鐵道部的要求,站房結構耐久性按100年設計。為了提高站房結構的設計使用年限,在結構設計中采取以下標準:(1)基本風壓和基本雪壓均按100年一遇取值; (2)建筑結構的安全等級為一級,結構重要性系數為1.1;(3)鋼筋混凝土結構設計中所采用的混凝土最低強度等級、配合比及相關參數、鋼筋的保護層厚度均按耐久性100年確定;(4)沈陽市的抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度為0.10g,設計地震分組為第一組,地震動反應譜特征周期為0.35 s。主站房的抗震設防類別為重點設防類(乙類建筑),按設防烈度7度進行抗震計算,按設防烈度8度采取抗震措施。主站房鋼筋混凝土框架結構的抗震等級為一級。

3 結構分析及計算

結構分析主要采用以下有限元軟件:

(1)采用空間通用有限元軟件SAP2000

V14.1建立站房整體模型,對結構進行整體計算,合理確定混凝土構件的截面尺寸和內力,并對鋼結構構件進行設計;

(2)采用MIDAS建立整體模型,對SAP2000的計算結果進行復核;

(3)在PKPM程序中建立主體混凝土結構模型,等效模擬鋼桁架、拱桁架構件。運用SATWE及PREC等軟件進行混凝土構件的設計和預應力筋的設計;

(4)屋蓋網架結構采用浙江大學編制的MST2008進行設計,同時采用SAP2000進行校核。

分析過程中,各軟件模型的荷載取值、桿件截面、構件布置應保證統一,各構件的邊界條件盡量相同。

4 荷載與作用取值

4.1 恒、活載

混凝土樓、屋蓋恒載根據建筑面層做法進行計算,活荷載根據《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001) (2006年版)選取,對于設備用房的活載根據相關專業資料確定。

4.2 軌行區列車荷載[1- 3]

列車豎向靜活載采用ZK活荷載,對客貨共線的

區域采用“中-活載”,并按規范要求考慮動力系數。列車走行部分的橫向搖擺力應取100 kN,作為集中荷載作用于最不利位置,以水平方向垂直線路中線作用于鋼軌頂面;列車制動力或牽引力應按列車豎向靜活載的10%計算;長鋼軌伸縮力、撓曲力和斷軌力等水平力均按照文獻[1-3]及相關工程經驗進行選取,并與其他各工況進行合理組合。

4.3 風荷載[4-5]

沈陽站基本風壓為0.60 kN/m2(100年一遇),地面粗糙度類別為B類。由于站房體型復雜,建筑受風面的體型系數和風振系數(振風系數)已無法按《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001)(2006年版)進行選取。因此,設計中風荷載值根據風洞試驗報告進行取值,并按多風向角進行加載。

4.4 雪荷載

沈陽站基本雪壓為0.55 kN/m2(100年一遇)?？紤]東北地區融雪的影響,設計中按照沈陽市城鄉建設委員會《關于加強輕鋼結構建筑設計施工管理的通知》沈建發(2007)40號的規定,將屋面積雪分布系數提高1.5倍采用。

4.5 溫度作用

沈陽市屬于受季風影響的北溫帶半濕潤大陸性氣候,夏季最高氣溫達35℃以上,冬季最低氣溫達-26℃以下。全年平均氣溫在8.1℃左右,最熱月平均溫度22.3℃,最冷月平均溫度-9.1℃,極端溫差較大。設置伸縮縫后,結構仍為超長結構,溫度效應仍起重要作用。因此,結構溫差的合理取值對結構安全性和經濟性起著控制作用,考慮到混凝土構件對溫度的傳導存在滯后效應,故對混凝土構件的溫差取月平均最高和最低溫度與合龍溫度的差值[6]。本工程施工合龍溫度要求控制在10～15℃,對主站房混凝土結構升溫+12℃,降溫-24℃;樓蓋、屋蓋鋼結構升溫25℃,降溫-41℃。

4.6 底板浮力及側墻土壓力

沈陽站±0.000 m相當于絕對高程46.295 m,地下通道底板底高程31.795 m?？辈炱陂g穩定地下水埋深為7.00～9.00 m(絕對高程36.00～38.00 m),底板抗浮設計水位為42.00 m[7]。據此,底板所受浮力按正常水位和百年抗浮水位分別取為62 kN/m2和102 kN/m2。沈陽站地下土層以中、粗砂,圓礫層為主,地下通道側墻土壓力按水土分算法進行計算。

4.7 荷載組合[7-8]

荷載組合時,計入了恒荷載、活荷載、風荷載、雪荷載、溫度作用、底板抗浮力、水平地震作用及豎向地震作用。底板浮力及側墻土壓按正常水位和百年抗浮水位分別按永久荷載和可變荷載考慮;溫度作用分項系數取1.4,組合系數取0.7。按結構構件設計、驗算的需要,荷載組合分別進行了基本組合、標淮組合、地震作用效應參與的基本組合和地震作用效應參與的標淮組合。

5 主站房結構設計

5.1 基礎設計

主站房柱下基礎均采用直徑為1.0 m的鉆孔灌注樁,并采用樁端、樁側復合注漿技術,樁端持力層位于樁端持力層為(8)圓礫層,有效樁長不小于40 m,單樁承載力計算特征值不小于7 500 kN;為了平衡地下水對底板的浮力,基礎梁下設置有直徑為1.00 m、0.80 m的抗拔樁;為了減少注漿體對地鐵盾構的影響,抗拔樁僅采用樁端注漿,有效樁長28.0 m。

由于上部結構為超長結構,溫度作用效應導致柱下彎矩和剪力均有所增大,給基礎設計帶來較大的困難;特別是考慮施工過程中地下通道結構底板的溫度效應時更是如此,因通常計算模型中將承臺頂面作為豎向構件的嵌固端,導致柱底彎矩和剪力巨大。若按此反力進行樁基設計,會造成樁數眾多,很不經濟,也與實際情況不符。豎向構件在較大水平力和彎矩作用下,承臺和樁將產生相應的水平位移和轉動,即使是微小的位移和轉動也會有效地釋放溫度作用產生的剪力和彎矩,一定程度上也可降低豎向荷載作用下豎向構件的柱底反力。因此,借鑒橋梁基礎設計方法,考慮樁土共同作用,地下通道結構柱采用彈性嵌固約束,以模擬土體對承臺和樁的彈性支承作用,更真實地反映實際受力情況。由于彈性嵌固約束的剛度受承臺尺寸、樁數、樁距和樁位的影響,在滿足彈性支座變形的要求下,需進行反復迭代驗算[9-10]。

5.2 地下通道底板結構

地下通道為出站廳層,結構底板面的高程為-11.8 m,順軌方向柱距為(12.0+31.0+12.0)m,其中31.0 m為市政聯系通道,如圖3所示。

圖3 地鐵盾構與地下通道的剖面關系(單位:mm)

地下通道底板抗浮設計水位為42.00 m,底板所受浮力102 kN/m2。由于受地下地鐵盾構區間的影響,31.0 m跨基礎梁底無法布置抗拔樁,因此底板抗浮設計中采用級配砂石作為配重平衡部分抗浮力,僅在地鐵盾構環中心位置設置一排抗拔樁作為31.0 m跨抗浮梁的彈性支承。設計中地下通道底板與基礎梁底平,以便配重的設置。同時,在整體建模計算過程中在底板下設置合理的面彈簧剛度,以分擔底板自重及其上部配重荷載。彈簧剛度的取值根據地質報告中相關土層的技術參數確定,同時要求底板下地基承壓力小于100 kPa,以防止地基承擔過大的荷載和豎向壓縮變形。

地鐵盾構區間位于31.0 m通道正下方,樁基到盾構管片的最小水平距離為2.5 m(小于3.0 m的安全距離[11]),結構底板底到盾構管片的最小豎向距離僅3.0 m。為了保證施工過程中地鐵的安全運行,設計中參考國內外類似工程經驗提出了以下幾點要求:(1)基坑開挖至設計高程以上0.5 m范圍內的土體不得采用機械開挖,待鋪墊層前再由人工挖至設計高程。一方面減少了機械施工對底板底土體的干擾,另一方面減輕對地鐵運行的不利影響;(2)基坑降水須降至盾構環頂,對因承臺二次開挖造成局部地段覆土不足時,應及時人工增加臨時覆土;防止土體的開挖引起盾構管片的上浮或漏氣;(3)施工距盾構管片距離小于3.0 m的基樁時,應采取跳鉆方案。樁基施工時,應嚴格控制樁的定位及垂直度,以減小因施工誤差引起的不利影響;(4)地下結構施工過程中應加強對圍巖及隧道的觀察,如發現異常,需根據實際情況改變施工方法或采取加固圍巖等措施。

施工前,針對“沈陽站地下通道樁基與地鐵盾構區間的相互影響”進行了專項論證,經專家組討論確定方案可行,并一致通過。在沈陽站地下通道樁基的施工期間,下部地鐵運營正常,未受任何影響。

5.3 站臺層(軌道層)結構

站臺層結構平面尺寸為55 m(平行于軌道方向,即南北向)×220 m(垂直于軌道方向,即東西向)。典型柱距為垂直于軌道方向:12、31 m;平行于軌道方向20.5、21.75 m。站臺層結構采用鋼筋混凝土柱+預應力鋼筋混凝土梁結構。

軌道層正線處設置雙柱將正線和到發線分離,在正線處形成連續剛構橋,以有效地減小高速列車通過對上部候車廳舒適度的影響;到發線部分結構與主體站房合建形成“建橋一體化”結構體系[1213],軌道層局部結構布置及剖面見圖4。

圖4 軌道層結構布置及剖面(局部)(單位:mm)

對于剛構橋部分采用橋規進行設計,“建橋一體化”部分綜合考慮建、橋兩種不同的規范,按照規范要求從嚴進行荷載取值及結果控制。

5.4 高架候車層結構

高架層為旅客候車廳層,平面尺寸為103 m(平行于軌道方向)×220 m(垂直于軌道方向),其典型柱距為垂直于軌道方向:18、31 m;平行于軌道方向20.5、21.75 m。

結構采用鋼筋混凝土柱+預應力鋼筋混凝土梁結構,結構布置見圖5。為了降低溫度效應對超長鋼筋混凝土結構的不利影響,主站房垂直于軌道方向設置一道伸縮縫兼抗震縫。受建筑及軌道層結構布置的限制,設計中未采用雙柱形式,而是采用框架梁一端簡支于伸縮縫處框架柱牛腿,以滿足溫度作用下兩側結構的自由變形要求。

圖5 高架候車層結構平面(局部)(單位:mm)

分縫后的高架候車層樓面結構單元長103 m(平行于鐵軌方向),寬約135 m(垂直于鐵軌方向),仍屬于雙向超長鋼筋混凝土結構,設計中采取以下措施解決混凝土的收縮和溫度應力問題:(1)縱、橫兩個方向的框架梁及大跨度次梁均為預應力梁,由于預應力梁中預應力的擴散作用,板中存在一定的預壓應力,預壓應力可有效減少及限制混凝土構件的裂縫;(2)沿縱、橫兩個方向每隔一定間距設置施工后澆帶,并在混凝土構件中添加適量的混凝土微膨脹劑,以釋放混凝土施工養護過程中產生的大部分收縮應力并克服子結構在施工過程中可能產生的收縮裂縫。后澆帶間距通常為30～50 m,若按此間距設置,會導致很多預應力梁不能及時張拉,反而對結構的前期整體性產生不利影響,故設計中采用后澆帶和膨脹加強帶交替設置的方式,使大部分預應力梁及時張拉,只保留少部分預應力梁待后澆帶混凝土強度達到設計要求后再張拉;(3)根據溫度作用規律,結構在降溫時,中間部位的板和梁會產生較大的軸拉力;不論是升溫還是降溫,結構兩邊的框架柱和框架梁會產生較大的內力。故設計時在現澆板板面均設置通長鋼筋,梁中增設腰筋,適當加強中間部位板和梁的配筋以及兩端框架梁、柱的配筋以抵抗溫度作用產生的附加內力。

5.5 屋蓋結構

站房屋蓋采用桁架拱結構體系,較好地實現了結構和建筑的完美結合,如圖6所示。桁架拱跨67 m,拱高23.2 m,拱頂高程47.2 m,拱腳通過銷軸支座支承于兩側混凝土結構梁頂,每榀拱桁架截面為正方形,邊長2.4 m,桿件截面為無縫圓管,最大截面為φ325 mm×12 mm。

圖6 拱桁架及銷軸拱腳(單位:mm)

根據理論和軟件分析,沿拱跨方向結構對溫度作用并不敏感,因此拱腳采用固定銷軸鉸支座,以平衡拱桁架產生的水平推力。由于拱桁架平面內剛度較弱,對不均勻荷載分布較為敏感,因此屋蓋分別按積雪全跨均勻分布、不均勻分布以及半跨均勻分布的情況進行強度及穩定計算;同時,針對屋蓋、站房以及站臺雨棚的整體模型進行了風洞試驗,對大跨屋面安全、合理的風荷載取值提供了依據,同時也為類似工程的受風特征提供參考。

6 結語

沈陽站站房主體結構采用大跨預應力混凝土結構體系,較好地滿足建筑功能、空間以及造型的需求。同時在保證結構安全和滿足建筑功能的前提下,力求結構設計的先進性和經濟性。設計過程中針對工程特點和難點進行了分析:

(1)借鑒橋梁基礎設計方法,考慮樁、土共同作用,地下通道框架柱采用彈性嵌固約束,更真實地反映實際受力情況,同時使得基礎設計更經濟、合理;

(2)針對地下通道基坑開挖及樁基對地下盾構區間的影響,通過及時配重、合理降水、實時觀測等措施,保證了施工期間下方地鐵的正常運營安全;

(3)通過正線處設置剛構橋,將正線和到發線分別設置于不同的結構層,有效地降低了正線列車高速通過時,列車振動對上部高架候車層旅客舒適度的影響;

(4)對超大結構平面,通過合理設置伸縮縫,有效地釋放了溫度作用,使結構受力簡單、明確;通過交叉設置后澆帶和加強帶、增設板面鋼筋和梁側面腰筋,有效地控制施工過程中混凝土結構的收縮裂縫;

(5)對于大跨桁架拱,通過合理構造拱腳,使得結構受力明確、構造相對簡單。針對屋蓋主體結構及圍護體系,通過風洞試驗進一步確保結構安全和經濟合理,為類似工程的受風特征提供參考。

[1] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2007]47號 新建時速300～350公里客運專線鐵路設計暫行規定(上、下)[S].北京:中國鐵道出版社,2007.

[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,2005.

[3] 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,2005.

[4] 建研科技股份有限公司.沈陽站風致振動分析報告[R].北京:建研科技股份有限公司,2010.

[5] 建研科技股份有限公司.沈陽站風洞測壓試驗報告[R].北京:建研科技股份有限公司,2010.

[6] 徐培福,傅學怡,等.復雜高層建筑結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社.2005.

[7] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.沈陽站新建站房及高架候車樓巖土工程勘察報告[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有公司,2010.

[8] 傅學怡.水立方結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2007. [9] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ94—2008建筑樁基技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[10]中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[11]北京城建設計研究總院.GB50157—2003地鐵設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

[12]李茂生.建橋一體化系統車站結構研究及其應用[D].上海:同濟大學,2007.

[13]胡京濤,毛學峰.軌道交通“橋-建”合一高架車站動力特性分析[J].鐵道建筑,2011(1):15-17.

[14]龔俊慮,王庭正.滬寧城際鐵路高架站橋梁設計與研究[J].鐵道標準設計,2012(8):36-39.

[15]游又能.橋建合一式高架車站在莞惠城際軌道交通中的應用研究[J].鐵道標準設計,2012(8):121-125.

Structure Design and Analysis of Station Building of Shenyang Station on Harbin-Dalian Passenger Dedicated Line

CAI Yu-jun
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

Building-bridge integrated structure in large-span prestressed concrete frame structure system was used for the main station building of Shenyang Station on Harbin-Dalian Passenger Dedicated Line. And then expert evaluation was organized on"the interaction between the underground passage foundation piles and the metro shield tunneling".In this structure,double columns were erected at the station platform layer so that the main line of the trains could be separated from the receiving-departure line, forming a continuous rigid frame bridge,which could effectively reduce the influence on the upper waiting hall layer's comfort level caused by high-speed train's passing through.And,the large-span steel trussed floor system was used for part of the commerce interlayer,for which,the influence on passenger's comfort level caused by vertical acceleration was analyzed,and TMD vibration damping technology was adopted so as to relieve the crest value of the vertical acceleration.In addition,steel trussed arch structure with a span of 67.0 meters was used in the roof system so as to achieve the perfect combination between the structure system and the architecture system.

railway passenger station;integrated building-bridge integrated structure;metro shield; rigid frame bridge;comfort level;TMD

TU248.1

A

1004-2954(2013)03-0106-06

2012-07-07;

2012-08-30

蔡玉軍(1980—),男,工程師,工學碩士,E-mail: caiyujun727@163.com。