單柱高架車站的結構特征及設計要點

靳 磊

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

單柱高架車站的結構特征及設計要點

靳 磊

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

結合單柱高架車站的結構特征，介紹了該車站的設計與結構選型方法，并從單柱墩、大懸臂蓋梁、基礎等方面，闡述了單柱高架車站的設計要點，使車站的設計滿足安全、經濟、合理、美觀等要求。

單柱高架車站，結構選型，單柱墩，大懸臂蓋梁

隨著我國城市化進程的加快，人口膨脹、交通擁堵、環境污染等社會問題在大中型城市越發突出。城市軌道交通具有節能、環保、安全高效等特點，是有效疏解城市交通問題的良方。在建設過程中，特別是城市主城區，存在高樓林立、地下管線錯綜復雜、干道交通不容中斷等現實困難；迫于場地所限、有效控制造價，部分線路采用高架形式。在確定站房型式時，宜優先考慮采用集占地少、乘車環境好，且具有自然通風和天然采光，安全疏散容易等優點于一身的單柱高架車站。然而，單柱高架車站不符合《建筑抗震設計規范》中的建筑結構體系；具有結構長寬比大、縱橫向抗側力剛度差異明顯、缺乏多道安全防線等一系列自身特性。本文系統地梳理此類結構的基本特征和設計要點，以期為同類工程設計提供參考。

1 單柱高架車站的結構特征

單柱高架車站作為“橋—建”組合結構體系中的一種特殊形式，主要由承受列車荷載的軌道梁和車站房屋主體結構組成；站房主體結構通常由單柱墩+大懸臂預應力蓋梁+輕鋼屋蓋組成。圖1為其實際應用。

經分析，該類結構體系具有以下基本特征[1]：1)結構縱橫向抗側剛度及動力特性差異明顯；2)結構長寬比很大，結構扭轉效應明顯；3)墩柱屬于短柱或超短柱；4)結構在豎向存在剛度突變；5)結構缺乏多道防線；6)結構頭重腳輕，重心上移，地震反應明顯。

2 設計方法

單柱高架車站兼具橋梁、建筑結構兩種特性。通常其軌道梁、蓋梁、墩柱及基礎歸屬于鐵路橋梁結構范疇；站廳、站臺層及屋蓋雨棚等屬于建筑結構范疇。

一般，橋梁設計采用容許應力法；而房建設計采用極限狀態設計法[2]。如何兼顧兩種規范，《地鐵設計規范》明確規定：當軌道梁支承或剛接于軌道橋梁上，形成“橋—建”組合結構體系時，軌道梁及其支撐結構的內力計算應與區間橋梁相同的方法進行結構設計；其余構件按現行建筑結構設計規范進行結構設計。

單柱高架車站應按現行國家標準《鐵路工程抗震設計規范》的有關規定進行抗震設計，抗震設防類別應劃為B類。橫梁、結點和基礎應作為能力保護構件，按能力保護原則設計。站廳層、站廳層結構及與墩柱、橫梁的連接，應按現行國家標準《建筑抗震設計規范》的有關規定進行抗震設計及設防。

3 結構選型

本文以深圳軌道交通某單柱高架側式車站為例，對結構選型、設計要點進行論述。國貿站位于深圳市核心區域，為減少對主干道交通和城市景觀的影響，車站結構選型時綜合考慮周邊環境(位于路中，且有3 m寬綠化帶)、地下管網等因素，本著節約用地，確保與周邊環境和諧統一的原則，單柱高架車站是最為經濟合理的結構形式。

單柱高架車站主要分：單柱高架側式、島式車站。其中，單柱高架側式車站橫向主要受力構件由單柱+雙層大懸臂蓋梁構成的“干”字形主要受力構件及上部站臺夾層、輕鋼屋面組成；單柱高架島式車站橫向主要受力構件由單柱+單層大懸臂蓋梁構成的“T”字形主要受力構件及上部豎向轉換構件、輕鋼屋面組成；單柱墩、大懸臂蓋梁均為結構體系關鍵部位。典型橫斷面構造如圖2所示。

功能布局上：首層均為架空層，將車站單柱立于路中綠化帶上，最大程度降低對主干道交通的影響；2層為站廳層，中間為公共區，兩側為車站管理及設備用房；3層為站臺層及其夾層；2層旅客進出站天橋可兼有過街功能。相較于單柱高架島式車站，單柱高架側式車站具有以下特點：

結構傳力途徑明確，主要荷載作用在大懸臂蓋梁上，并由其傳至柱墩，站臺層無需設轉換構件作用在首層大懸臂梁上，上下雙層懸臂梁分擔荷載相對合理；起控制性荷載集中作用在大懸臂梁根部，大懸臂梁的承載力和剛度易于滿足；功能上，一般側式車站體型略寬。《地鐵設計規范》規定“島式車站不宜采用獨柱式帶長懸臂‘橋—建’組合結構體系”。綜上，宜采用單柱高架側式車站。

4 設計要點

4.1 單柱墩

結合所處主干道橫斷、受建筑及設備功能布置影響，現對9 m×10 m溫度區段車站結構采用MIDAS軟件進行實體建模分析。除柱墩截面分別按2 500×2 500(模型1)，1 850×2 800(模型2)，1 500×3 000(模型3)進行比選外，其余構件布置完全一致。模型如圖3所示。

4.1.1 對樓層剪重比的影響

經對比：在多遇地震作用下，三個模型縱、橫向剪重比均滿足抗規要求。縱向剪重比基本一致；橫向剪重比大小依次為：模型1最大、模型2居中、模型3最小(見表1)。故在滿足橫向抗側剛度基本要求的前提下，宜減小單柱截面的縱向慣性矩來降低結構地震效應。

表1 多遇地震作用下樓層剪重比匯總 %

4.1.2 對結構自振特性的影響

前四階自振模態基本一致，自振模態及其特性周期見表2。

表2 模型自振特性匯總

經比較，通過對單柱截面型式的優化調整，縱橫向抗側剛度差別減少，兩主軸向的動力特性差異有一定程度減小，達到優化結構自振性能的目的。

4.1.3 對溫度效應的影響

在升、降溫效應作用下，3個模型的結構構件內力分布基本一致。在溫度效應下，柱墩彎矩、剪力均呈現兩頭大、中間小的特點；結構縱向剛度越大，縱向構件伸縮時，受到較強的牽制約束，產生的溫度附加力也就越大。柱底最大內力匯總見表3。

由表3可知，柱截面對車站結構溫度效應影響明顯。模型縱向剛度越大，溫度效應越大，對其內力控制越不利。溫度效應下，3個模型的最大彎矩比值約為2.5∶1.5∶1，最大剪力比值約為2.2∶1.4∶1。建

議在滿足必要的橫向剛度下，減小縱向單柱剛度可有效控制溫度附加力。

表3 升降溫效應對應柱底反力

4.2 大懸臂蓋梁

作為單柱高架車站主要承載構件，蓋梁一般懸挑長度約為10 m，且需承受建筑靜荷載及列車動荷載，其荷載種類和分布狀態較為復雜。預應力結構在有效控制梁高及抗裂性、耐久性上的優勢是鋼筋混凝土構件無法實現的。大懸臂蓋梁因其剛度、裂縫等控制較嚴格，宜采用預應力結構形式，可有效控制截面高度和裂縫、提高結構剛度，有效解決高架站建筑功能、道路限高等問題。

相對于全預應力設計，部分預應力有以下優點：節約預應力筋；避免過大的長期反拱；預應力筋制作和張拉工作量小，方便施工；適量的預應力在破壞時呈現延性，對結構抗震較為有利。

故大懸臂蓋梁建議按部分預應力構件設計。另大懸臂蓋梁作為能力保護構件，按能力保護原則設計；需兼顧了“房建”“橋梁”兩種專業規范，以保證鐵路規范的強度、裂縫等指標的要求；還需滿足建筑抗震規范對框架結構抗震性能的要求。

4.3 基礎設計

基礎作為能力保護構件，按能力保護原則設計。合理的基礎設計，可確保單柱高架車站橫向的結構穩定和必要剛度。樁基設計時，宜將樁基剛度轉換為彈簧剛度輸入整體模型分析，以墩底嵌固邊界條件計算將造成對結構橫向剛度的估計偏高，且易造成均勻溫度場中邊柱墩溫度效應模擬的失真。當需通過增加樁基剛度以加強結構橫向剛度時，樁基剛度的調整主要包括以下幾個方面[3]：拉大樁間距：可明顯提高樁基轉動剛度，減小承臺底面轉角；提高樁身質量：采用后注漿樁基、擴孔樁等技術措施，以提高樁基承載力和剛度；改善土層性質：換填樁身頂部雜填土，減小承臺水平位移。

5 結語

伴隨城市軌道交通的大力發展，單柱高架車站以其獨特優勢被逐漸推廣。本文從該結構的基本特征、結構選型及設計要點等方面做了系統分析，針對柱墩、大懸臂蓋梁及基礎等的設計要點展開簡要論述，以期為同類工程設計提供參考。

[1] 趙杰林.獨柱式長懸臂高架車站地震安全性探討[J].建筑結構,2012(4)：80-81.

[2] 楊開屏.高架車站大懸臂預應力蓋梁設計探討[J].鐵道標準設計,2012(12)：103.

[3] 楊開屏，毛念華.城市軌道交通獨柱墩高架車站的墩柱及樁基設計探討[J].鐵道標準設計,2011(2)：81，83.

The basic characteristics and key points of single-column elevated station

Jin Lei

(RailwayNo.3SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Tianjin300251,China)

Combining with the structural features of the single-column elevated station, the paper introduces the station’s design and structural type selection method, and illustrates its design points from the single column pier, large cantilever coping, and foundation, so as to meet the demands of the safety, economy, reasonability and beauty of the station.

single-column elevated station, structure type selection, single column pier, large cantilever coping

1009-6825(2017)01-0055-02

2016-10-24

靳 磊(1984- )，男，碩士，工程師

TU318

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