無(wú)錫地鐵1號(hào)線路中高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉海鑫 李園園

無(wú)錫地鐵1號(hào)線路中高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉海鑫 李園園

文章以無(wú)錫地鐵1號(hào)線路中高架車站為例，對(duì)比分析了獨(dú)柱雙懸臂和雙柱雙懸臂結(jié)構(gòu)型式的抗震性能和受力特點(diǎn)，介紹了“橋-建結(jié)合”車站的結(jié)構(gòu)選型、荷載確定、結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)，闡述了路中“橋-建結(jié)合”高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)。

地鐵；高架車站；橋-建結(jié)合；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 工程概況

無(wú)錫地鐵1號(hào)線為南北向交通主干線，線路北起惠山新城堰橋站，南至太湖新城雪浪站，全長(zhǎng)29.42 km，其中高架段長(zhǎng)7.25 km，共設(shè)車站24座，高架車站5座。堰橋站位于惠山大道路中央綠化分隔帶中，根據(jù)總體布置堰橋站為路中3層側(cè)式車站，車站總長(zhǎng) 120 m。車站頂層為站臺(tái)層，供列車通行和乘客候車，2層為站廳層，供旅客購(gòu)票進(jìn)站并兼作過(guò)街通道功能，底層懸挑部分下面是地面道路，落地區(qū)為車站設(shè)備用房。地下設(shè)電纜夾層，供通信、供電等電纜敷設(shè)。

2 高架車站結(jié)構(gòu)方案比選

2.1 高架車站結(jié)構(gòu)基本型式

從結(jié)構(gòu)受力來(lái)看，高架車站既不是單一的房建結(jié)構(gòu)，也不是單一的橋梁結(jié)構(gòu)，而是一種橋梁和房建相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。在結(jié)構(gòu)選型時(shí)根據(jù)框架橫梁與軌道梁的結(jié)合情況可將車站結(jié)構(gòu)分為“橋-建分離”（區(qū)間橋梁與車站站房完全分開(kāi)）和“橋-建結(jié)合”（軌道梁支撐于房屋結(jié)構(gòu)的橫梁上）兩大類。

（1）“橋-建分離”車站。高架橋梁與車站站房二者在結(jié)構(gòu)上完全分開(kāi)。此類車站結(jié)構(gòu)受力明確、結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單、行車對(duì)車站用房的振動(dòng)小，但站廳層存在截面較大的橋墩，帶來(lái)建筑平面布局不靈活、車站內(nèi)設(shè)縫較多、施工協(xié)調(diào)困難。

（2）“橋-建結(jié)合”車站。軌道梁支撐于房屋結(jié)構(gòu)的橫梁上，結(jié)合部設(shè)橡膠支座。該種車站結(jié)構(gòu)墩柱根數(shù)少、建筑平面布局靈活、結(jié)構(gòu)整體性好，但獨(dú)立設(shè)置的軌道梁會(huì)使建筑高度增加，結(jié)構(gòu)計(jì)算較復(fù)雜。

2.2 車站結(jié)構(gòu)方案比選

本車站為路中車站，線路位置和周邊建設(shè)條件決定了車站的基本特征：一是車站設(shè)置于城市道路中分帶，地面層需架空外挑，二是區(qū)間橋梁線間距難以擴(kuò)大。結(jié)合車站布置型式、結(jié)構(gòu)受力合理性等因素，綜合考慮本車站采用“橋-建結(jié)合”側(cè)式站臺(tái)結(jié)構(gòu)型式。

根據(jù)GB50157-2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定：垂直線路方向落地柱的布設(shè)應(yīng)結(jié)合路面道路交通等要求，采用雙柱或三柱型式，困難地段，也可采用獨(dú)柱型式。考慮到本工程道路中分帶寬僅為8 m，所以分別對(duì)“橋-建結(jié)合”型式下的“獨(dú)柱雙懸臂”和“雙柱雙懸臂”結(jié)構(gòu)方案建立三維空間有限元模型（圖1），對(duì)其受力情況和動(dòng)力性能進(jìn)行對(duì)比分析。由于車站多為空間框架結(jié)構(gòu)，所以分析采用PKPM系列中的SATWE三維空間分析程序。分析中，車站按伸縮縫位置取獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單位進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)構(gòu)樓面開(kāi)孔、樓梯及站臺(tái)雨棚等附屬結(jié)構(gòu)作了必要簡(jiǎn)化。分析結(jié)果表明：

（1）“獨(dú)柱雙懸臂”方案，抗側(cè)剛度差，第2階振型就表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)，橫向缺少贅余度和多道抗震防線，結(jié)構(gòu)抗震極為不利。橫向框架梁撓度超出規(guī)范限值，需采用特殊技術(shù)措施，施工復(fù)雜材料用量大，造價(jià)較高；

圖1 “橋-建結(jié)合”結(jié)構(gòu)有限元模型

（2）“雙柱雙懸臂”方案，抗側(cè)剛度得到明顯增強(qiáng)，前2階振型均為平動(dòng)，抗震性能有效改善。普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工方便，材料用量減少，造價(jià)適中。

對(duì)上述“獨(dú)柱雙懸臂”和“雙柱雙懸臂”2種方案，從結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性、施工難度、結(jié)構(gòu)體系、抗震性能等多方面進(jìn)行綜合比較（表1、2），最終確定選用“雙柱雙懸臂”方案。

表1 “橋-建結(jié)合”結(jié)構(gòu)靜力性能和材料用量比較表

表2 “橋-建結(jié)合”結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能比較表

3 車站結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)和荷載確定

3.1 車站結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

車站結(jié)構(gòu)總體布置應(yīng)滿足車站的功能和使用要求。車站結(jié)構(gòu)方案采用“橋-建結(jié)合”雙柱雙懸臂3層框架結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)框架橫向跨度5.6 m，兩側(cè)各懸挑7 m，縱向采用12 m柱距布置，車站總長(zhǎng)120 m。車站總長(zhǎng)超出GB50010-2011《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于現(xiàn)澆式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距的要求，為此，參照規(guī)范規(guī)定并結(jié)合空間分析結(jié)果，在車站中部設(shè)置1處伸縮縫，將車站分成2個(gè)60 m長(zhǎng)的對(duì)稱結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)單元橫截面圖見(jiàn)圖2。

圖2 車站總體布置圖 （單位：mm）

總體設(shè)計(jì)過(guò)程中基本構(gòu)件截面的大小不僅關(guān)系到工程量和投資規(guī)模，也影響到車站整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配和抗震性能。本工程在滿足功能要求的情況下，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)試算比較后擬定基本構(gòu)件截面如下：

（1）站廳層。懸挑框架橫梁截面尺寸1 m×1.8 m，框架縱梁截面尺寸1 m×1.5 m，樓面板厚取150 mm；

（2）軌道梁層。框架縱橫梁和板厚同站廳層，考慮支撐站臺(tái)層柱子的插筋問(wèn)題，對(duì)應(yīng)框架處取500 mm寬；

（3）站臺(tái)層。站臺(tái)層跨度不大，懸挑長(zhǎng)度也較小，橫向梁按常規(guī)截面取250 mm×550 mm，縱向梁截面取250 mm×500 mm，樓面板厚取150 mm；

（4）基礎(chǔ)和柱。考慮到擬建站房的土質(zhì)條件和地下水情況，選用樁徑1.2 m的鉆孔灌注樁。為保證結(jié)構(gòu)剛度，柱子截面取1.4 m×1.4 m，變形縫處邊柱取1.2 m×1.4 m。站臺(tái)層柱子按6 m間距布設(shè)，截面取400 mm×400 mm。

3.2 荷載確定和工況組合

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力分析，綜合各種可能對(duì)“橋-建結(jié)合”車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力的荷載，將荷載分為建筑荷載規(guī)范規(guī)定的荷載：恒載、活載、風(fēng)載、雪載、地震作用等；鐵路橋梁規(guī)范規(guī)定的荷載：主力、附加力、特殊荷載等。

4 車站結(jié)構(gòu)計(jì)算和施工圖設(shè)計(jì)

4.1 車站結(jié)構(gòu)計(jì)算

“橋-建結(jié)合”的高架車站目前還沒(méi)有專門(mén)的結(jié)構(gòu)分析軟件，為此，本文根據(jù)總體設(shè)計(jì)確定的構(gòu)件尺寸和材料，在車站結(jié)構(gòu)計(jì)算中仍采用車站結(jié)構(gòu)方案比選中的結(jié)構(gòu)有限元模型并采用建筑結(jié)構(gòu)通用的SATWE程序。但，由于車站結(jié)構(gòu)與常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)有所不同，結(jié)構(gòu)荷載工況和受力變形均較為復(fù)雜，其對(duì)于直接或間接承受列車荷載的構(gòu)件SATWE軟件并不能完全適用，因此，對(duì)車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件按鐵路相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范借助通用有限元軟件Midas/Civil進(jìn)行計(jì)算和校核。

有限元模型中考慮樓面開(kāi)孔、樓電梯、設(shè)備夾層、站臺(tái)雨棚等附屬結(jié)構(gòu)，構(gòu)件采用空間桿系和墻單元。對(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu)采用剛性樓板假定，即樓板平面內(nèi)剛度無(wú)限大，平面外剛度為0。計(jì)算過(guò)程中周期折減系數(shù)、抗震等級(jí)、小塔樓放大系數(shù)、活載是否考慮最不利布置等分析參數(shù)與常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)分析略有不同，應(yīng)結(jié)合高架車站特點(diǎn)和實(shí)際情況作相應(yīng)調(diào)整，以獲得更為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

4.2 車站結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)

本文參考GB50157-2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定和各專業(yè)規(guī)范，進(jìn)行“橋-建結(jié)合”高架車站配筋設(shè)計(jì)。“橋-建結(jié)合”車站既屬建筑結(jié)構(gòu)，又具有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，因此，配筋設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)不同構(gòu)件采用不同的規(guī)范進(jìn)行綜合分析和包絡(luò)設(shè)計(jì)，以確保結(jié)構(gòu)安全可靠。

本車站結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)中，對(duì)直接承受列車荷載的軌道梁采用有關(guān)鐵路橋規(guī)的要求進(jìn)行配筋和設(shè)計(jì)。對(duì)簡(jiǎn)接承受列車荷載的框架梁、柱及基礎(chǔ)按有關(guān)鐵路橋規(guī)和建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，并同時(shí)滿足2個(gè)規(guī)范的要求。站臺(tái)層、鋼結(jié)構(gòu)雨棚等不承受列車荷載的結(jié)構(gòu)按有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.3 車站結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)

對(duì)于結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜的“橋-建結(jié)合”高架車站，結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)尤為重要。本文結(jié)合“橋-建結(jié)合”高架車站特點(diǎn)采取以下構(gòu)造措施：綜合考慮使用功能和防水要求，在超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元中部設(shè)置800 mm寬后澆帶，減少車站因溫差和混凝土收縮、徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響；軌道梁外側(cè)設(shè)置多道防水層并在梁下設(shè)置1道混凝土板，既起到防水作用又提高結(jié)構(gòu)整體剛度；軌道梁下設(shè)置專用橡膠支座，減少列車行車振動(dòng)對(duì)站房結(jié)構(gòu)和候車舒適性的影響；考慮到車站跨越20 m寬河流且兩側(cè)均為已建市政橋梁，設(shè)計(jì)時(shí)將部分基礎(chǔ)采用異形承臺(tái)，避免與原市政橋梁樁基發(fā)生沖突，并選用鋼板樁圍堰施工，以減少對(duì)原有市政橋梁的影響。

5 結(jié)論與建議

從城市景觀、地面交通及車站建筑布置等方面綜合來(lái)看，高架車站宜采用“橋-建結(jié)合”的結(jié)構(gòu)型式。高架車站除站位、造型等比選外，結(jié)構(gòu)方案比選也十分必要，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，應(yīng)兼顧技術(shù)、投資和工期的要求。從結(jié)構(gòu)體系和動(dòng)力分析結(jié)果看，獨(dú)柱雙懸臂結(jié)構(gòu)方案抗震性能較差，在地震區(qū)不宜或少建這種型式的高架車站。

“橋-建結(jié)合”高架車站結(jié)構(gòu)涉及到鐵路橋梁和建筑結(jié)構(gòu)2個(gè)行業(yè)的設(shè)計(jì)理論和規(guī)范，因此，在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不同的構(gòu)件應(yīng)采用相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)收，對(duì)同時(shí)承受列車和建筑荷載的構(gòu)件應(yīng)同時(shí)滿足鐵路橋梁和建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范要求。

“橋-建結(jié)合”高架車站目前沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)程和專用的分析軟件，鑒于目前全國(guó)范圍內(nèi)在建地鐵線路較多，建議相關(guān)部門(mén)能組織力量制定相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)程，編制專用分析軟件，不斷提高和完善高架車站的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)水平。

無(wú)錫地鐵1號(hào)線工程已于2014年7月1日通車運(yùn)營(yíng)，目前各高架車站運(yùn)營(yíng)良好。

[1] GB50157-2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[2] 劉海鑫，宋海，杜喬，等. 橋建合一車站地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則分析和判斷[J]. 江蘇建筑，2014（1）.

[3] 劉海鑫，李輝，康軍立，等. 橋建合一車站列車振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)方法研究[J]. 土木建筑與環(huán)境工程，2013，35（增2）.

[4] 毛學(xué)鋒，許智焰，周永禮. 深圳地鐵3號(hào)線高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2011（12）.

[5] 趙杰林. 獨(dú)柱式長(zhǎng)懸臂高架車站地震安全性探討[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2012，40（4）.

[6] 鄧勇. 城市軌道交通高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2012（1）.

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明

Elevated Station Structure Design on Wuxi Metro Line 1

Liu Haixin, Li Yuanyuan

The paper takes Wuxi metro line 1 elevated station as an example, makes comparative analysis of seismic resistance performance and stress characteristics of the structure type of single column double cantilever and double column double cantilever. It introduces the combined bridge and station architecture with the consideration of station structure selection, load determination, structural analysis and design, and it expounds the combined bridge and station construction with experience and main features of structural design of elevated station.

metro, elevated station, bridge construction, structure design

U442.5+4

2014-12-19

劉海鑫：江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，高級(jí)工程師，江蘇南京 210005