城市軌道交通某橋建合一高架車站結構設計

劉習超

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

城市軌道交通某橋建合一高架車站結構設計

劉習超

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

隨著城市軌道交通的高速發展，如何建造安全、經濟、美觀、舒適的“橋建合一”高架站房已逐步成為結構設計人員的一個重要研究方向。文章以廈門軌道交通工程1號線集美學村站高架站房結構分析和設計為例，主要介紹了“橋建合一”高架站PKPM和Midas civil結構模型、荷載取值、荷載工況、結構計算、構造措施等設計要點。

橋建合一；高架站房；荷載工況；結構計算

0 引言

橋建合一站房結構體系是指以鋼筋混凝土框架結構作為高架車站的主要承重結構，縱向梁作為軌道梁，車站為三維框架結構，同時按照車站建筑要求布置梁、板、柱等結構構件，滿足建筑結構及鐵路橋涵相關規范的設計要求[1]。

橋建合一結構體系的優點有：①可根據建筑需求整齊地布置柱網，能夠較好地滿足車站使用功能要求，并體現車站建筑風格和整體造型；②車站結構合理，整體剛度好，易滿足抗震等建筑結構設計相關規范要求；③采用現澆鋼筋混凝土框架主體結構，可有效降低建筑高度。車站空間受軌道梁的影響較小，在展廳層的內部景觀設計上易于處理[1]。

橋建合一結構體系的缺點有：①列車的鋼軌直接鋪設在縱向框架梁上，列車的牽引力、制動力、橫向搖擺力和無縫線路軌道力及列車的沖擊力和震動等，均直接作用在車站框架結構上，對整個車站結構都有一定的影響；②車站結構設計必須同時采用建規和鐵規，要同時滿足兩套規范，設計難度較大；③車站對區間施工干擾較大，在考慮區間橋梁架設工法時，一般需統籌建設工期，車站后建或分步建設；④若考慮架橋機和預制梁通過車站，則車站主體結構構件要承受較大的荷載[1]。

本文擬以廈門地鐵1號線集美學村站高架站房結構為例，探討該類建筑工程結構設計要點。

1 工程概況

廈門地鐵1號線集美學村站，如圖1所示。為地上2層車站，局部地下1層。車站總長為147.5m，有效站臺長度為117.942m，總建筑面積為7 422.414m2。車站標準段寬為35.3m，有效站臺寬度為12.0m。主體結構為地上2層高架島式車站，采用鋼筋混凝土純框架結構的建橋合一的結構型式，縱向主要柱距9.75m，橫向主要柱距7.0m和6.6m。車站地面一層為站廳層，地上二層為站臺層。

擬建場地位于抗震設防烈7度區，設計基本地震加速度為0.15g，設計地震分組屬第二組，建筑場地類別屬Ⅱ類，建筑抗震設防類別：重點設防類(乙類)，場地特征周期為0.40s，抗震等級：二級。擬建場地地質條件較好。

圖1 廈門地鐵1號線集美學村站效果圖

2 車站主要結構設計方法總結

2.1 結構模型

集美學村站橋建合一結構簡圖如圖2所示。鑒于橋建合一車站結構設計必須同時滿足建規和橋規兩套規范，因而在集美學村橋建合一站房的結構設計中采用了兩種軟件建立的結構模型，一種為滿足建規的PKPM模型，PKPM車站結構模型如圖3所示。另一種為滿足鐵規的通用的空間有限元分析軟件Midas Civil模型，Midas Civil車站模型如圖4所示。

在PKPM結構模型中，將列車傳遞至軌道梁上面的動荷載等效于線荷載輸入到縱向梁上后，采用極限狀態法進行建筑結構方面相關分析計算。在Midas Civil結構模型中，可以直接輸入列車荷載至縱向梁上，采用容許應力法進行鐵規方面的相關分析計算。該車站總長147.5m，考慮到溫度應力的影響，在兩種模型中，均在車站長度方向設置2道分隔縫，模型被分為左、中、右3個部分。

圖2 集美學村站橋建合一高架車站結構簡圖

圖3 PKPM車站整體計算模型簡圖

圖4 Midas Civil車站整體計算模型簡圖

(1)工程材料

框架梁、樓板、站臺板、樓梯混凝土強度等級為C40，基樁、承臺、基礎梁、框架柱、地下室底板和側墻混凝土強度等級為C45，二次澆搗的構造柱、預制門窗洞口過梁等混凝土強度均為C30。

(2)車站結構布置和基礎選型

總高度為11.650m，縱向主要柱距9.750m，橫向柱距7m和6.6m，2層鋼筋混凝土框架結構，承軌層以下部分主要框架柱截面1200mm×800mm；縱向框架梁截面450mm×900mm和400mm×900mm；縱向承軌梁截面的尺寸為400mm×900mm，橫向框架梁截800mm×1 200mm，軌行區板厚450mm。承軌層以上部分主要框架柱截面尺寸為450mm×600mm和600mm×600mm，框架梁主要截面尺寸為300mm×800mm和300mm×600mm。基礎選用承臺+直徑800mm鉆孔灌注樁。

2.2 設計荷載取值

對車站結構構件進行設計時，主要荷載如下：

(1)建筑場地類別為Ⅱ類，設計地震分組：第二組，地基無液化，地震作用設防烈度按7度，設計基本地震加速度0.15g，計算模型中按0.15g；設計使用年限：100a。

(2)結構自重：鋼筋混凝土容重取25kN/m3，鋼材容重取78.5kN/m3，樓面裝修層25kN/m3。

(3)列車荷載：按本線列車的最大軸重、軸距及近、遠期中最長的列車(6節)編組確定。車輛型式采用國標B2型車，列車編組為6輛。車輛定距10.4m，固定軸距2.2m，車輛最大軸重14t，最小軸重8t，計算時最大、最小軸重可按每節車長任意排列組如圖5所示。地鐵車輛豎向荷載應按其實際軸重和排列計算，并考慮沖擊力的影響，其沖擊系數取1+μ，μ宜按現行《鐵路橋涵設計基本規范》規定的值乘以0.8。PKPM模型中列車荷載的取值采用承載軌道梁彎矩等效原則計算，每列列車兩條鐵軌正下方的縱向承軌梁線荷載取為35kN/m。

圖5 列車荷載布置圖

(4)制動力或牽引力按列車豎向靜活載的15%計算。但當與離心力或沖擊力同時計算時，制動力或牽引力按列車豎向靜活載的10%計算[2-3]。

(5)列車的橫向搖擺力按相臨兩節車4個軸重的15%計，以集中力形式，作用于軌頂面處[2-3]。

(6)其余荷載標準值：基本雪壓：0.0kN/m2(100年重現期)；基本風壓：0.95kN/m2(100年重現期)[4]；人群荷載：4kN/m2；設備荷載：8kN/m2;整體道床鋪裝(含道床和鐵軌)：16kN/m/線。

2.3 荷載工況

根據《地鐵設計規范》(GB50157-2013)第10.3.1條，高架車站按其特性可能出現的荷載如表1所示，就其可能出現的最不利組合情況進行計算。

表1 高架結構荷載分類表[2]

進行荷載組合時，應遵循以下原則[2-3]：

(1)列車橫向搖擺力不與離心力、風力組合；

(2)無縫鐵路縱向力不與列車制動力或牽引力組合；

(3)僅考慮主力與一個方向的附加力進行組合。

該工程中PKPM模型和Midas civil模型采用相同的荷載組合。

(1)主力組合

結構自重+二期恒載+附加應力+混凝土收縮徐變+列車靜活載+列車豎向動力作用+列車離心力+無縫鐵路縱向水平力+人群荷載。

(2)主力+附加力組合1

結構自重+二期恒載+附加應力+混凝土收縮徐變+列車靜活載+列車豎向動力作用+列車離心力+無縫鐵路縱向水平力+人群荷載+溫度影響力+橫向風載。

(3)主力+附加力組合2

結構自重+二期恒載+附加應力+混凝土收縮徐變+列車靜活載+列車豎向動力作用+無縫鐵路縱向水平力+人群荷載+溫度影響力+橫向搖擺力。

(4)主力+附加力組合3

結構自重+二期恒載+附加應力+混凝土收縮徐變+列車靜活載+列車豎向動力作用+列車離心力+無縫鐵路縱向水平力+人群荷載+溫度影響力+縱向風載+列車制動力或牽引力。

(5)主力+特殊力組合1

結構自重+二期恒載+附加應力+混凝土收縮徐變+列車靜活載+列車豎向動力作用+列車離心力+無縫鐵路縱向水平力+人群荷載+斷軌力。

(6)主力+特殊力組合2

結構自重+二期恒載+附加應力+混凝土收縮徐變+列車靜活載+列車豎向動力作用+列車離心力+無縫鐵路縱向水平力+人群荷載+地震力。

2.4 結構計算及相關構造措施

(1)鑒于Midas Civil模型中能夠比較準確的輸入列車移動荷載，因而該工程中PKPM模型中承軌梁在輸入線荷載后計算所得的內力包絡值均應不小于Midas Civil模型中承軌梁的內力包絡值。

(2)采用PKPM軟件進行車站結構抗震驗算，多遇地震作用下車站結構整體計算指標需滿足《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)各項要求如表2所示[5]，同時根據構件包絡內力按照《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)[6]中的極限應力法進行構件配筋驗算。

表2 PKPM結構模型主要計算指標

(3)采用Midas Civil有限元軟件對車站結構進行計算分析時，采用《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111-2006)[7](2009年版)中抗震參數進行抗震驗算，計算結構振型與周期以及構件的包絡內力，同時根據包絡內力按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范(TB10002.3-2005)[8]中的容許應力法進行構件配筋驗算；車站Midas civil結構模型前3個振型圖如圖6～14所示，各振型周期如表3所示,Midas Civi結構模型計算的結構周期值與PKPM模型計算值相比偏小，前三周期相差12%～20%，主要是由于在Midas Civil模型中，將夾層、站臺板、屋面鋼框架都建入進去，結構整體剛度相比PKPM要大，最終導致周期較小。

表3 Midas Civil結構模型各振型周期

圖6 車站左邊部分模型1階振型圖

圖7 車站左邊部分模型2階振型圖

圖8 車站左邊部分模型3階振型圖

圖9 車站中間部分模型1階振型圖

圖9 車站中間部分模型1階振型圖

圖10 車站中間部分模型2階振型圖

圖11 車站中間部分模型3階振型圖

圖12 車站右邊部分模型1階振型圖

圖13 車站右邊部分模型2階振型圖

(4)車站框架梁、框架柱的配筋取①中采用極限應力法計算值和②中采用容許應力法計算的最大值，框架梁、框架柱配筋構造要求需同時滿足建筑結構規范和鐵路橋涵規范相關構造要求，諸如框架梁、柱縱向鋼筋最小直徑選用及錨固長度，最小配筋率，箍筋最小直徑和加密區間距，體積配箍率等均應取兩種設計方法的較大值。

(5)車站采用樁基礎，根據《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB10002.5-2005)規定，鉆孔灌注樁的設計樁徑不宜小于800mm，樁主筋直徑不宜小于16mm，主筋凈距不宜小于120mm，主筋保護層厚度不應小于60mm，承臺厚度不宜小于1.5m。

3 結構設計建議

(1)結構設計時，建議本文中2.3荷載工況全部考慮并施加到結構計算模型中，以保證車站結構的安全。

(2)根據《地鐵設計規范》(GB50157-2013)中第10.2.1條，橋跨結構梁體(跨度L≤30m)在列車靜活載作用下的豎向撓度不應大于L/2000[2]，在框架結構滿足各項抗震指標的前提下，建議增大框架柱、框架梁、承軌梁剛度，增大軌行區板厚，直至承軌梁豎向撓度滿足要求。

(3)鑒于列車的牽引力、制動力、橫向搖擺力和無縫線路軌道力及列車的沖擊力和震動等，均直接作用在車站框架結構上，對整個車站結構都有一定的影響，為保證車站整體穩定性，建議與軌行區相連接的框架柱柱下基礎均采用3樁以上的承臺，承臺厚度≥1.5m，樁基直徑≥800mm[9]。

4 結語

橋建合一高架站房雖然能夠實現站房建筑與橋梁使用功能性的統一，但橋建合一高架站房的結構設計工作是一個工作量非常大并且非常復雜的過程，且結構類型繁多，本文僅介紹了鋼筋混凝土純框架結構的橋建合一高架站房結構設計的主要設計方法，但框架結構橋建合一高架站房在地震作用下動力彈塑性分析、在列車動力作用下的響應分析尚需進一步研究，使橋建合一高架站房的結構設計更加完善，給未來城市軌道交通中出現的鋼筋混凝土框架結構“橋建合一”高架站房結構設計提供一定的參考價值。

[1] 朱丹.城市軌道交通工程概論[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2] GB50157-2013 地鐵設計規范[S].

[3] TB10002.1-2005 鐵路橋涵設計基本規范[S].

[4] GB50009-2012 建筑結構荷載規范[S].

[5] GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S].

[6] GB50010-2010(2015年版),混凝土結構設計規范[S].

[7] GB50111-2006(2009年版) 鐵路工程抗震設計規范[S].

[8] 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].

[9] TB10002.5-2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].

The Structural Design of an Elevated Station of the Combination of Bridge and Building in Urban Rail Transit

LIUXichao

(China Railway Si yuan Survey And Design Group Co.,Ltd, Wuhan 430063)

With the rapid development of urban rail transit, how to build a safe, economic, beautiful, comfortable elevated metro station which is the combination of bridge and building has gradually become an important research direction for the structure designer. In this paper, taking the structural analysis and design of Jimei School Village elevated station of Xiamen Metro Line 1project for example, design points of PKPM and Midas civil structural model, load values, load cases, structural calculation, structural measures of elevated metro station of combination of bridge and building were mainly introduced.

Combination of bridge and building; Elevated metro station; Load cases; Structural calculation

劉習超(1984.4- ),男，工程師。

E-mail:liuxichao08hit@126.com

2017-03-03

TU318

A

1004-6135(2017)07-0081-05