軌道交通高架車站鋼結構與混凝土結構協同分析

王偉濤

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

引言

軌道交通高架車站站臺雨棚是為站臺上旅客候車、乘車提供遮風擋雨的建筑物，是高架車站重要的組成部分。隨著我國經濟的不斷發展，雨棚的結構形式也由過去低矮粗重的混凝土結構形式變成更加輕巧，便于安裝和維修的鋼結構雨棚形式[1]。在軌道交通結構工程中下部主體混凝土結構經常與上部鋼結構雨棚組合應用。由于軌道交通高架車站自身的設計特點，在車站基礎及下部主體結構進入設計階段時，車站上部鋼結構雨棚才進入方案階段，車站上部鋼結構雨棚的設計常常滯后于下部主體結構的設計。由于高架車站結構采用兩種不同的材料及結構形式，現階段，多數設計單位對此類混合結構在設計時，通常采用把上部鋼結構雨棚與下部主體混凝土結構分開進行簡化模型計算[2]。在計算上部鋼結構雨棚時，將下部混凝土結構簡化為鉸接支座或固接支座等支撐約束。在計算下部混凝土結構時，將上部鋼結構荷載及質量進行等效施加在下部混凝土結構上[3]。兩種混合結構在分開計算時，忽視上部鋼結構雨棚實際剛度和空間效應對下部主體結構的影響；忽視高架車站上部結構在整體計算時，混凝土作為鋼結構雨棚的基礎，在支承剛度、混凝土收縮、徐變等因素對上部鋼結構雨棚的影響，兩者之間的協調工作未能充分考慮。由于兩種結構材質在質量和剛度分布上的不同，導致兩者在地震作用、風荷載等動力荷載作用下產生差別[4]，導致計算結果與實際情況存在較大差異。

針對成都軌道交通高架車站站臺鋼結構雨棚與下部混凝土主體結構協同作用，采用有限元數值分析，找出分開獨立計算和整體協同計算結構的差異和規律，為同類型工程的設計及施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

成都軌道交通高架車站上部鋼結構雨棚與下部混凝土主體結構建筑效果見圖1。由于受周邊道路及景觀的影響，常見的車站結構形式有單墩柱、雙墩柱結構和三柱結構。車站總長186 m，車站計算單元取93 m，車站主體寬22.4 m，兩側站臺寬3.2 m。站廳層單墩柱結構柱截面為2.0 m×3.0 m，雙墩柱結構柱截面為1.5 m×1.6 m，三柱結構邊柱截面為1.0 m×1.0 m，中柱截面為1.2 m×1.2 m；站臺層邊柱截面為0.5 m×0.5 m，中柱截面為0.4 m×0.4 m；鋼結構雨棚主鋼架截面為500 mm×300 mm×12 mm×16 mm。單墩柱和雙墩柱結構最大懸挑長度為7.8 m。

圖1 高架車站主體結構及雨棚整體效果圖

2 結構設計參數取值及工況組合

在工程設計中荷載是結構設計的重要依據，取值的合理性將直接影響結構的安全性、使用性和經濟性。高架車站結構在計算時應考慮荷載有：結構自重、恒荷載、活荷載、風荷載、雪荷載、列車荷載、溫度效應和地震作用等。

2.1 計算模型

高架車站結構受力分析采用Midas/Civil有限元程序，建立三維空間有限元模型。模型主要包含基礎承臺，主體混凝土結構和屋面鋼結構雨棚。其中混凝土結構及鋼結構采用梁單元，雨棚與車站主體整體協同計算時，雨棚柱腳采用剛性連接；雨棚單獨計算時柱腳同樣采用剛性連接，當采用簡化的鉸接支座連接時會導致設計結果不安全[5]；車站結構計算時應考慮土體對樁基的約束，采用土彈簧進行模擬，以橋規中樁基的“m”法[6]確定。

2.2 設計參數

高架車站結構設計使用年限為100年[7-8]，車站的抗震設防類別為重點設防類(乙類)，耐久性為100年，結構安全等級為一級，結構重要性系數γ0=1.1。

(1)列車荷載[9]：本工程采用A型車，軸重P=80 kN，8A編組(采用MIDAS Civil移動荷載工況施加列車荷載)，對于承受其他相關的列車荷載按照TB10002—2017《鐵路橋涵設計基本規范》[10]取值。(2)地震作用：成都市抗震設防烈度為7度，基本地震加速度值0.10g，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，地震動反應譜特征周期值Tg=0.45 s。根據GB5011—2010《建筑抗震設計規范》及CECS160：2004《建筑工程抗震性態設計通則》可以得到設計使用年限為100年時，結構的地震作用調整系數取1.3～1.4，因此取αmax=0.112。(3)其他荷載：基本風壓、基本雪壓、溫度作用等按照文獻[11]取值。

2.3 荷載工況組合

在荷載工況組合時，考慮以上所列各項荷載標準值，當計算結構橫橋、縱橋方向位移時，荷載按照主力、附加力和特殊荷載分類，其荷載組合按照GB50157—2013《地鐵設計規范》執行[12]；當計算結構最大層間位移比及最大層間位移角時，荷載組合按照《建筑抗震設計規范》執行[13]。

3 協同計算結果對比分析

根據高架車站建筑方案要求，結合車站規模、周邊道路及市政景觀等，分別從單墩柱、雙墩柱、三柱車站結構3種主體結構形式和上部鋼結構進行協同作用對比分析。結構協同計算及上部鋼結構三維模型如圖2～圖5所示。

圖2 單墩柱車站整體三維模型

圖3 雙墩柱車站整體三維模型

圖4 三柱車站整體三維模型

圖5 雨棚整體三維模型

3.1 結構動力特性對比分析

對于車站上部無鋼結構雨棚的主體結構，在計算下部混凝土結構時[14-16]，將上部鋼結構進行荷載質量等效；對于車站上部有雨棚的主體結構，采用整體計算。兩種結構按特征值向量法進行模態分析，見表1～表3。

表1 單墩柱車站上部有雨棚、無雨棚的周期及振型

表2 雙墩柱車站上部有雨棚、無雨棚的周期及振型

表3 三柱車站上部有雨棚、無雨棚的周期及振型

從表1～表3可以得出，車站無鋼結構雨棚和車站有鋼結構雨棚周期比均滿足規范限值要求；車站無鋼結構雨棚周期均比車站有鋼結構雨棚周期小，三柱車站協同作用下振型與車站上部結構獨立計算下結構的振型模態差異較大。分析表明，鋼結構雨棚的剛度在協同計算時對車站結構整體剛度有一定的影響，結構模型在協同計算時振型模態多由上部鋼結構控制[17]，結構主體獨立計算不能真實反映車站結構整體剛度。由于阻尼比直接影響結構地震作用下的特征模態，對于上部鋼結構和下部混凝土結構的軌道交通高架車站結構，不宜采用固定阻尼比進行地震作用分析[18]，還需進一步研究。

3.2 結構位移及位移角對比分析

對于高架車站結構的橫向位移和縱向位移在鐵路橋規和建筑結構規范中都有明確要求，也是反映結構平面規則與否的重要依據，目的是使結構抗側力構件布置更加有效、合理。在地震作用下主體結構模型與上部鋼結構模型協同作用和獨立作用下車站橫向(Y向)和車站縱向(X向)的位移及位移角如表4～表6所示。

表4 單墩柱結構兩種計算模型的位移及位移角

表5 雙墩柱結構兩種計算模型的位移及位移角

表6 三柱結構兩種計算模型的位移及位移角

從以上3種結構形式層間位移最大值可知，對比獨立和整體計算兩者數值，地震作用下整體模型層間位移角值多數大于獨立模型[19]。下部混凝土結構模型獨立計算和整體協同計算位移值最大相差1.98%，計算結果較為接近。層間位移角最大值滿足按照建筑抗震規范對于現澆框架結構柱頂位移1/550限值的要求；層間位移最大值滿足按照鐵路橋規對于墩頂縱橫向彈性水平位移的限制要求。因此層間位移最大值獨立和整體計算均滿足兩種規范要求。

3.3 結構柱底剪力對比分析

對于高架車站上部無雨棚的主體結構獨立作用和車站上部有雨棚的主體結構協同作用分別按CQC法計算地震作用下的柱底剪力，如圖6～圖8所示。

圖6 單墩柱結構兩種計算模型的柱底剪力

圖7 雙墩柱結構兩種計算模型的柱底剪力

圖8 三柱結構兩種計算模型的柱底剪力

從圖6～圖8可知，在地震反應譜作用下，高架車站主體結構在無上部鋼結構獨立計算時比大多數有上部鋼結構協同計算的柱底剪力大。從數值上分析，雙墩柱車站及三柱車站結構協同計算與車站主體結構獨立計算差值很??；但從圖6可知，單墩柱結構在反應譜作用下X向的柱底剪力，在主體結構整體計算時比其下部混凝土結構獨立計算時大約12%，單墩柱車站主體結構獨立模型進行計算時相比協同計算偏于不安全。由此可見，在地震作用下上部鋼結構雨棚對主體結構的影響尤其是單墩柱車站不能輕易忽視。

3.4 上部鋼結構雨棚屈曲對比分析

由于上部鋼結構獨立計算時邊界條件為鋼結構支座固接或鉸接，整體協同計算時鋼結構支座連接于下部混凝土結構，兩種計算模型在混凝土支承剛度、混凝土收縮、徐變等因素下存在差異，不完全相同。因此對于上部鋼結構在結構獨立模型和結構整體模型，在滿跨活荷載作用下屈曲臨界荷載[20]見圖9～圖12及表7。

圖9 單墩柱結構協同計算第一階屈曲臨界荷載

圖10 雙墩柱結構協同計算第一階屈曲臨界荷載

圖11 三柱結構協同計算第一階屈曲臨界荷載

圖12 鋼結構雨棚獨立計算第一階屈曲臨界荷載

從表7可以得出，高架車站鋼結構屈曲臨界荷載獨立計算時比上部鋼結構與下部混凝土結構協同計算時都要??；協同計算時屈曲臨界荷載三柱車站小于雙墩車站，雙墩車站小于單墩車站；從圖9～圖11可知，雨棚獨立計算時臨界荷載的位置明顯發生變化，出現在端部。分析結果主要是：鋼結構單獨計算時柱腳支承剛度大于協同計算剛度；三種類型的高架車站協同計算的支承剛度，三柱車站大于雙墩車站，雙墩車站大于單墩車站。分析表明：鋼結構腳部的支撐剛度對鋼結構的穩定性有很大的影響，鋼結構的屈曲臨界荷載協同計算相比上部鋼結構獨立計算偏于安全。

表7 上部鋼結構獨立模型和結構整體模型屈曲臨界荷載

4 結論

(1)高架車站結構動力特性進行分析時，車站無雨棚鋼結構和車站有雨棚鋼結構周期比均滿足規范限值要求；考慮上部鋼結構與下部混凝土結構的協同作用計算，結構的周期明顯大于獨立計算的結果，上部鋼結構的剛度對結構整體計算起有利作用。

(2)高架車站地震作用分析時，結構整體模型節點位移和柱底反力均與獨立車站主體結構存在差異，其中雙墩柱及三柱車站結構差異較小，考慮車站主體結構獨立模型計算相比協同作用的整體模型計算偏于安全。但是對于單墩柱車站兩者差異較大，在主體結構設計時不能忽視考慮上部鋼結構協同作用的影響。

(3)不同類型的高架車站主體結構與上部鋼結構雨棚協同計算的鋼結構屈曲臨界荷載，主體結構對鋼結構腳部的支撐剛度影響不同，鋼結構的屈曲臨界荷載存在差異，但是相比上部鋼結構獨立計算偏于安全。

(4)軌道交通高架車站應考慮上部鋼結構和下部混凝土結構協同計算，車站結構協同計算模型與實際情況更加吻合，結果更加準確、可靠。

(5)高架車站建議在建設及設計過程中，應在初步設計階段對其上部鋼結構雨棚進行造型及方案確認，車站上部鋼結構雨棚設計要先于基礎結構及主體結構設計，應為基礎結構及主體結構的設計提供較為準確的設計方案和上部荷載。