軌道交通車輛基地網架結構設計要點分析

李明濤

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 車輛基地廠房結構形式選擇

根據中國城市軌道交通協會統計數據[1]，截止2016年底，中國大陸地區已有30個城市開通城市軌道交通運營，隨著公共交通出行需求的增長，還會有越來越多的城市修建軌道交通。作為軌道交通重要組成部分的車輛基地，其工程費用占全線工程費用的6%～12%[2]，廠房的造價約占基地工程費用的一半，廠房結構的設計質量將直接影響到車輛基地工程造價的高低。因此，為合理地控制成本、節約投資，科學、經濟、合理地開展實際工程設計，對廠房的屋蓋結構設計要點進行總結分析便顯得十分必要。

根據工藝使用要求，車輛基地廠房(運用庫、檢修庫等)常用的結構形式有以下幾種：現澆鋼筋混凝土框架、混凝土柱支撐輕鋼屋架或預應力混凝土屋架、門式剛架、混凝土柱支撐網架屋蓋等[3-7]，如圖1～圖4所示。

圖1 現澆混凝土結構

圖2 混凝土柱支撐鋼屋架結構

如表1所示，對上述結構形式的優缺點進行對比分析可知，現澆混凝土框架結構一般適用于進行上蓋物業開發或屋頂綠化的車輛基地，由于抗震性能、采光及建筑外觀、施工等因素，實際工程中混凝土柱支撐輕鋼屋架或預應力混凝土屋架已較少應用，門式剛架及混凝土柱支撐網架屋蓋應用較多，其中網架屋蓋在廣州、西安、昆明、武漢[8-12]等地均有應用。本文結合車輛基地的工藝特點，從兩方面對網架結構的設計要點進行了總結分析，一是對影響網架用鋼量的結構方案進行了對比分析，二是對混凝土柱支撐網架屋蓋的結構計算模型選擇進行了對比分析，并結合具體分析給出了工程設計建議。

圖3 門式剛架結構

圖4 混凝土柱支撐網架結構

表1 車輛基地廠房結構方案比較

2 網架結構屋蓋設計要點

網架屋蓋占廠房整體投資比例比重較大，下面從支撐柱距、網格尺寸、結構端部高度、連續或簡支網架的選擇、結構起坡方面(圖5～圖8)著手分析其對網架結構用鋼量的影響，以選擇經濟合理的網架方案。

圖5 兩跨連續網架結構示意

圖6 兩跨連續起坡網架結構示意

圖7 三跨連續網架結構示意

圖8 三跨連續起坡網架結構示意

2.1 支撐柱距選擇

支撐柱距會影響水平桿及腹桿的長細比、節點的數量，對于采用彩鋼板或夾芯板屋面的屋蓋，還會影響檁條的跨度，對網架經濟性影響較大。

網架結構的桿件為二力桿，其控制指標為應力值與長細比，一般跨度方向桿件受應力值控制，垂直跨度方向桿規格受長細比控制，腹桿同時受應力值和長細比控制。當網架屋蓋尺寸和荷載一致時，柱距越大，桿件規格越大，桿件數量越小，檁條或屋面板規格也越大，檁條及節點數量越小；反之，柱距越小，桿件規格越小，桿件數量越大，檁條或屋面板規格也越小，節點及檁條數量越大。因此網架支撐柱距不是越大越好，也不是越小越好，以跨5條停車列檢線的單跨簡支網架為例，跨度為25.4 m，分別采用6、7、7.5、8、8.5、9、10 m柱距進行對比分析，如圖9所示，在荷載一致條件下，最佳柱距在8 m左右，考慮建筑模數、基礎工程及吊車的影響，一般選擇9 m柱距。

圖9 不同柱距下網架用鋼量

2.2 網格尺寸選擇

以25.3 m跨度、高度1.5 m的網架為例，對典型網格尺寸對比分析發現，如圖10所示，網格尺寸越大網架用鋼量小，目前與網架結構配套使用的鋼框架輕型屋面板規格主要為3 m×3 m、3.3 m×3.3 m、3.6 m×3.6 m、3.9 m×3.9 m、4.0 m×4.0 m，因此實際工程中網架宜結合縱橫向柱距選用較大的網格尺寸。

圖10 不同網格尺寸下網架用鋼量

2.3 簡支或連續網架

圖11 不同跨度簡支/連續網架用鋼量

分別對跨度為20.8、25.3、30、34.6、39.2、43.8、48.4 m的網架按單跨簡支、兩跨連續、三跨連續條件進行計算，用鋼量對比分析如圖11所示。由圖11可知，連續網架結構本身在經濟性方面優于單跨簡支，可節省用鋼量10%～17%。因此，地質條件較好時，宜結合工藝布置優先選用連續網架。

2.4 結構起坡或不起坡

屋面排水需要進行找坡，找坡方案有兩種，一種是網架結構找坡，一種是在網架上弦球上加小立柱找坡。對于單跨簡支網架，兩種找坡方案結構用鋼量差別不大。對于連續網架，以48.4 m跨度的兩跨、三跨連續網架為例進行對比分析，如圖12所示(圖中不起坡方案未含小立柱用鋼量)，從圖12可以看出，不起坡方案用鋼量更節省，但考慮小立柱用鋼量后，二者用鋼量接近。因此實際工程中，考慮屋面排水需求，同時避免出現小立柱穩定問題，網架屋蓋建議采用結構找坡排水方案。

圖12 連續網架起坡和不起坡時用鋼量

2.5 網架結構端部高度選擇

為了得出網架用鋼量隨網架端部高度的變化關系，以48.4 m跨度的網架為例，分析單跨簡支、兩跨連續、三跨連續網架用鋼量隨端部矢高變化情況，如圖13所示。從圖13可以看出，單跨簡支、兩跨連續、三跨連續情況下網架用鋼量隨端部高度的變化關系，端部高度取值為2.7～3.0 m時用鋼量最節省。因此，實際工程中建議網架端部高度取其跨度的1/15～1/20。

圖13 不同端部高度的網架用鋼量

3 網架結構計算模型選擇

空間網架結構的整體計算分析在工程實踐中存在多種方法，如何選擇值得思考。以前由于工程設計軟件在復雜空間結構建模和混合材料結構的整體計算分析方面具有局限性，無法進行整體建模分析，實際工程中常采用分離式的設計方法，上部網架和下部混凝土支撐結構分別采用兩個不同軟件進行分析計算，如下部結構常采用PKPM軟件進行設計、網架結構采用3D3S/MST軟件進行設計。而為了考慮結構的整體性，結構設計時采取不同的方法來近似考慮二者的協同作用，網架結構采用固定鉸支座或彈性支座來模擬下部支撐結構的剛度影響，下部混凝土結構設計一般采取下述方法[13-18]來模擬網架對下部結構的作用。

方法1：假設網架平面內剛度無窮大，采用剛性板來模擬網架；

方法2：忽略網架的剛度，下部混凝土結構計算時按屋蓋全開洞處理；

方法3：將網架部分的剛度按照一定的規則等代為交叉鋼梁或彈性板進行整體分析；

方法4：連接下部混凝土結構與網架屋蓋，建立整體計算模型。

以跨度30 m的單跨簡支網架為例，采用上述4種方法分別建立模型進行計算，模型如圖14～圖17所示，以方法4建立的整體計算模型分析結果為基準值，對上述模型的部分計算結果進行對比，如表2所示。

圖14 模型1-采用剛性板模擬網架

圖15 模型2-屋蓋全開洞

圖16 模型3-采用彈性膜模擬網架

圖17 模型4-整體計算模型

由表2可知：

(1)全開洞模型的柱構件約束條件失真，其周期遠大于整體計算模型的周期值，地震作用計算失真；將網架用剛性板來代替，則過高估計整體結構的抗側剛度；用等代梁或彈性膜代替網架的模型分析結果與整體模型較為接近，但需要準確確定等代梁和等代彈性板的尺寸；

(2)剛性樓板假定和全開洞口假定條件下的位移與基準值差別較大，全開洞模型忽略了網架的平面內剛度，形成了懸臂柱，而剛性樓板假定過高估計了網架的面內剛度，地震作用及位移計算均與實際不符。

表2 不同模型計算結果對比分析

(3)全開洞模型的柱內力的分布和大小同基準模型差距最大，而且內力分布極不均勻，忽略了網架對下部結構與網架結構的整體協調作用；

(4)方法1～方法3中的簡化模型均忽略了橡膠支座的抗側作用，不能準確模擬橡膠支座的彈性剛度，對大跨及超長網架結構，在地震作用及溫度作用計算方面存在偏差。

4 結語

綜上所述，通過網架結構方案及整體計算模型的選擇進行對比分析，得出以下結論：

(1)考慮建筑模數、基礎工程及吊車的影響，車輛基地網架的下部支撐結構建議優先選用9 m柱距；

(2)實際工程中，網架結構宜結合縱橫向柱距、屋面板尺寸等選用較大的網格尺寸；

(3)在地質較好且沉降可控的情況下，建議結合工藝布置優先選用連續網架結構；

(4)考慮不起坡方案的小立柱用鋼量后，起坡與不起坡網架的用鋼量接近，考慮屋面排水需求，同時避免出現小立柱穩定問題，網架屋蓋建議采用結構找坡坡排水；

(5)對于簡支或連續網架，結構端部高度取其跨度的1/15～1/20時用鋼量最省；

(6)相比全開洞方式及剛性板假定，等代梁或等效彈性板方法建立的模型更符合工程實際，另外目前常用工程設計軟件如PKPMYJK已有條件建立混凝土結構與網架的整體模型，此模型可準確反映網架與下部支撐結構的整體協同作用，計算結果更符合工程實際，建議推廣使用。

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