成都軌道交通10號線高架車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

堯云濤，陳 驥，楊 奇

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司， 浙江 杭州 311122)

1 工程概況

成都軌道交通10號線二期工程線路全長約26.7 km,共設(shè)車站10座,其中5座為高架站。在這些高架車站中,有4座為布置在路中綠化帶內(nèi)的2層側(cè)式高架車站,布置在道路中央10 m寬的綠化帶內(nèi)。

2 車站結(jié)構(gòu)形式及特點

2.1 結(jié)構(gòu)形式

車站位置的路中綠化帶寬度達10 m,因此，可選用雙柱框架墩作為車站的承重結(jié)構(gòu)。車站典型橫斷面見圖1。框架墩蓋梁支承軌道梁、站臺梁和車站頂棚荷載。車站總長140 m,縱向采用5跨28 m的簡支結(jié)構(gòu)。其第3跨下方設(shè)進站天橋，天橋與車站主體結(jié)構(gòu)保持獨立。軌道梁采用牛腿支承的方式,梁頂與蓋梁頂面平齊。車站上下部結(jié)構(gòu)之間采用支座連接,形成靜定的受力體系,避免因支座沉降和溫度變化而產(chǎn)生不利影響。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)點

1)便于設(shè)計

常規(guī)“橋-建”組合式高架車站存在結(jié)構(gòu)體系較復(fù)雜、傳力不夠明確的缺點,其主要受力構(gòu)件必須同時按照建筑規(guī)范和鐵路橋梁規(guī)范進行包容性設(shè)計。相比之下，本車站屬于橋梁結(jié)構(gòu)，其主要受力構(gòu)件可直接按橋梁規(guī)范進行設(shè)計。

2)便于施工

本線的區(qū)間標準梁采用的是整孔預(yù)制架設(shè)法施工,通過“梁上運梁”的方式實現(xiàn)預(yù)制梁的運輸。若采用“橋-建”組合式高架車站,因其軌道梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),須采用臨時加固措施提高承載力方可滿足運梁車過站要求。相比之下,本線車站的軌道梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),能直接滿足運梁車過站要求。

3 抗震計算

3.1 主要技術(shù)標準

1)車站主體結(jié)構(gòu)安全性等級為一級。

2)建筑抗震設(shè)防烈度為7 度(0.1 g),車站主體結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)防類別為乙類,抗震等級為二級。

3)地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級；樁基礎(chǔ)安全等級為一級。

4)按現(xiàn)行國家標準《地鐵設(shè)計規(guī)范(GB 50157—2013)》和《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50111—2006)》[1]的有關(guān)規(guī)定進行抗震設(shè)計,抗震設(shè)防類別應(yīng)劃為B 類。

圖1 車站橫斷面

3.2 地質(zhì)參數(shù)

選擇中風(fēng)化泥巖為樁基的樁端持力層,樁基范圍的巖土類型和物理特性(變形模量E0，水平基床系數(shù)Kh,承載力標準值fk,極限側(cè)阻力標準值qsk)如下：

1)構(gòu)散卵石<2-5-1>,E0=18 MPa,Kh=22 MPa/m,fk=200 kPa,qsk=110 kPa;

2)稍密卵石<2-5-2>,E0=20 MPa,Kh=35 MPa/m,fk=350 kPa,qsk=125 kPa;

3)中密卵石<2-5-3>,E0=28 MPa,Kh=60 MPa/m,fk=550 kPa,qsk=145 kPa;

4)強風(fēng)化泥巖<4-2>,Kh=100 MPa/m,fk=300 kPa,qsk=85 kPa;

5)中風(fēng)化泥巖<4-3>,Kh=180 MPa/m,fk=1 000 kPa,qsk=180 kPa。

3.3 主要材料

3.3.1 混凝土強度等級

1)樁基礎(chǔ)為C35；

2)承臺、墩柱為C40;

3)軌道梁、站臺梁和預(yù)應(yīng)力蓋梁為C50。

3.3.2 鋼筋及鋼材

1)普通鋼筋 主體結(jié)構(gòu)中的樓板、次梁、構(gòu)造柱的鋼筋采用HRB400鋼筋。車站框架柱主筋采用HRB400E 抗震鋼筋。

2)鋼構(gòu)件 車站鋼結(jié)構(gòu)屋蓋和天橋鋼箱梁的材質(zhì)為Q345C鋼。

3)預(yù)應(yīng)力鋼絞線 框架墩蓋梁的預(yù)應(yīng)力鋼筋采用低松弛高強度鋼絞線,其抗拉設(shè)計強度fpk=1 860 MPa,彈性模量Ep=1.95×105MPa。

3.4 計算荷載

1)結(jié)構(gòu)自重 混凝土自重26 kN/m3；鋼結(jié)構(gòu)自重78.5 kN/ m3；裝修恒載按實際情況計算。

軌道梁二期恒載系線路設(shè)備重(含承軌臺、鋼軌、扣件)21.0 kN/m/線。

2)人群荷載 公共區(qū)站臺和站廳、樓梯、車站管理人員用房等部位以4.0 kN/m3計。

3)混凝土收縮及徐變影響 混凝土的收縮應(yīng)變的徐變系數(shù)終極值按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范(JTG D62—2012)》規(guī)定辦理。預(yù)應(yīng)力梁二期恒載加載齡期不小于60 d,徐變齡期計算至3 600 d。

4)地震荷載 本工程所處區(qū)域抗震設(shè)防烈度為7 度,設(shè)計基本地震加速度為0.10g,設(shè)計地震分組為第一組,場地類別為Ⅲ類,特征周期Tg=0.45 s。

5)列車荷載 列車編組為6 輛,每輛車長為19.52 m,定距12.6 m,固定軸距2.2 m,車輛最大軸重160 kN,列車設(shè)計時速100 km/h。

6)鋼結(jié)構(gòu)罩棚荷載 豎向恒載節(jié)點力為255 kN,豎向活載節(jié)點力為55 kN,風(fēng)荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點水平力加在站房上。

3.5 計算模型

車站結(jié)構(gòu)采用空間有限元程序Midas Civil 2015建立整體模型進行分析計算(考慮到車站結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布的影響,同時考慮相鄰聯(lián)對計算主體的影響),建模時橫梁、立柱、橋墩、承臺均采用空間梁單元來模擬。在承臺底建立樁單元,施加土彈簧模擬群樁基礎(chǔ)的剛度。土彈簧剛度考慮不同土層的m值進行計算,考慮2.5的動力放大系數(shù)。整體模型共計24 698個節(jié)點,25 793個單元。計算模型見圖2。

圖2 車站結(jié)構(gòu)計算模型

車站構(gòu)件的主要尺寸為：框架墩的墩柱厚2 m，寬1.6 m,墩柱中心距為7.4 m。蓋梁高度為1.6～3.2 m,厚2.1 m,懸臂長6.925～10.725 m。軌道梁采用單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,梁高1.8 m,寬12.1 m。站臺梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土肋板結(jié)構(gòu),梁高2 m。墩柱下方的承臺尺寸為13.2 m×6 m×2 m,其下方設(shè)6根φ1.2 m的鉆孔灌注樁。

3.6 抗震計算結(jié)果

3.6.1 結(jié)構(gòu)動力特性

根據(jù)上述有限元模型,進行結(jié)構(gòu)動力特性分析,其整體結(jié)構(gòu)的動力特性見表1。通過結(jié)構(gòu)特征值分析,考慮結(jié)構(gòu)前60階振型參與質(zhì)量,x方向達到95.5%,y方向達到96.47%,滿足規(guī)范要求。

表1 車站前10階振型參數(shù)

對車站結(jié)構(gòu)的自振特性進行分析,可以得到以下結(jié)論：

1)車站的前5階振型均為整體縱向振動,其原因是上部結(jié)構(gòu)與墩柱之間沒有剛接,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體縱向剛度較弱；

2)車站的第6階振型為扭轉(zhuǎn)振型,扭轉(zhuǎn)周期比T6/T1=0.82<0.9,滿足現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50011—2010)》[2]的要求;

3)車站的第7階振型為整體橫向振動,對應(yīng)的自振頻率大于1 Hz,說明結(jié)構(gòu)的橫向剛度較大。

3.6.2 罕遇地震驗算

根據(jù)現(xiàn)行《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50111—2006)》第7.1.4條的規(guī)定,結(jié)構(gòu)抗震計算時應(yīng)分別計算順橋向和橫橋向的水平地震作用。對于抗震設(shè)防烈度9度的懸臂結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋等,還應(yīng)計入豎向地震作用的影響。本高架車站位于7度區(qū),因此對于罕遇抗震分析,只考慮橫向地震和縱向地震作用對結(jié)構(gòu)引起的效應(yīng)。車站結(jié)構(gòu)整體比較規(guī)則,可以采用彈性反應(yīng)譜方法或者彈塑性反應(yīng)譜法進行罕遇地震作用抗震分析。

依據(jù)現(xiàn)行《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50909—2014)》第7.2.2條的規(guī)定,可以采用M-φ曲線來判別結(jié)構(gòu)是否進入塑性狀態(tài),如果結(jié)構(gòu)最大彎矩小于等效屈服彎矩,說明結(jié)構(gòu)仍處于彈性范圍。罕遇地震作用下,采用彈性反應(yīng)譜法計算得到控制截面內(nèi)力和通過M-φ曲線計算得到的控制截面屈服彎矩見表2、表3。

表2 橋墩強度驗算

表3 樁頂強度驗算

從表2和表3的計算結(jié)果可見,各控制截面的計算彎矩均小于屈服彎矩,說明：

1)罕遇地震作用下,車站各控制截面均在彈性范圍內(nèi),滿足抗震設(shè)計的要求；

2)罕遇地震作用下采用彈性反應(yīng)譜分析是可行的；

3)因罕遇地震作用下各控制截面均在彈性范圍內(nèi),所以不需要進行多遇地震下的抗震驗算和罕遇地震下的墩頂位移比驗算。

4 結(jié) 語

通過對成都軌道交通10號線二期工程路中雙柱高架站的結(jié)構(gòu)設(shè)計總結(jié),可以得到以下幾點結(jié)論：

1)本線高架站具有結(jié)構(gòu)受力明確，總建筑高度較低的優(yōu)點,設(shè)計成果可為類似工程提供借鑒和參考。

2)車站結(jié)構(gòu)的整體縱向剛度較小,在順橋向地震工況下起到長周期減震作用。

3)車站結(jié)構(gòu)的縱橫向抗側(cè)力性能差異較大。

[1] 中華人民共和國鐵道部.GB 50111—2006 鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范[S]．北京：中國計劃出版社，2009.

[2] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.