雙柱單跨橋建合一高架車站設計存在問題

林玉燕

（福州軌道交通設計院有限公司， 福州 350000）

由于與道路線路走向結合較好，且能較好滿足建筑對空間的需求，位于道路中間的雙柱單跨高架車站建設較多，但該類型結構設計較難；目前雙柱單跨高架車站設計方法[1]為軌道梁、支承軌道梁的蓋梁、支承蓋梁的墩柱及柱下基礎按現行鐵路橋涵設計相關規范（以下簡稱“橋規”）執行，其他構件按建筑相關設計規范執行（以下簡稱“建規”）。現行的設計方法存在問題[2],橋規和建規兩套規范體系目前并不協調，抗震設計路徑不同。采用橫向單跨模型或整體結構有限元模型對高架車站多遇、設計、罕遇地震作用[3][4][5]下的非線性時程分析進行構件的能力保護驗算。本文結合某高架車站長118m，縱向柱跨12m，橫向柱跨8.2m，車站高度23.5m（橫剖面見圖1）介紹“橋規”與“建規”的差異，介紹設計中存在的問題。

圖1 典型雙柱單跨高架車站橫剖面圖

1 樁基設計的差異

摩擦樁豎向承載力計算不同，樁基應進行罕遇地震作用下彈性驗算。

《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》TB10093-2017（以下簡稱“鐵基規”）與《建筑樁基技術規范》JGJ94-2008（以下簡稱“建樁規”）樁基的設計方法不同，摩擦端承樁計算的差異較大。

“建樁規”采用極限承載力標準值計算， “鐵基規”采用單樁容許承載力進行樁基承載力設計。鐵基規中樁長越長摩擦樁端阻折減越多，樁端清渣程度越難，樁端阻力起作用越少；而建樁規中樁端承載力沒有折減。如該車站樁長72m，樁徑1.2m，同一勘察孔計算的樁承載力特征值/容許承載力的差異。建樁規計算的樁承載力特征值7900 kN（樁側4928kN，樁端3000kN），鐵基規計算的容許承載力6480kN（樁側5870kN，樁端力610kN），可見兩種規范計算樁承載力差異不小。

雙柱單跨框架結構按《城市軌道交通設計規范》在地震作用下要考慮樁土共同作用，樁身有較大彎矩，能力保護原則要求樁罕遇地震作用下不屈服，建議樁基采用大直徑樁，有利于提高樁基抗震能力。

2 抗震延性設計的差異

延性設計塑性鉸位置不同，“強柱弱梁”和“強梁弱柱”的差異。《建筑抗震設計規范》第6.1.5 條甲、乙類建筑不應采用單跨框架結構，因單跨框架結構抗側剛度小，結構超靜定次數少，耗能能力弱，缺少多道設防線，汶川地震后，對于重要的建筑物，不允許采用單跨框架結構，而橋梁大量存在單柱墩和雙柱墩，因而允許采用單跨結構；《地鐵設計規范》中規定雙柱單跨及單柱高架車站抗震按《鐵路工程抗震設計規范》（以下簡稱“鐵抗規”）規定執行，鐵抗規抗震設計“小震不壞、中震可修、大震不倒”與建筑抗震設計相同，但實現的方式不同。橋梁采用能力設計法，即通過延性構件和能力保護構件（在結構設計中，把脆性構件以及不希望發生非彈性變形的構件，統稱為能力保護構件）之間的強度安全等級差異，確保結構不發生脆性破壞模式。鋼筋混凝土墩柱橋梁在抗震設計時，塑性鉸的位置一般選擇出現在墩柱上（便于觀察及修復，如圖2 所示），墩柱作為延性構件設計，可以發生塑性變形，耗散地震能量，橋梁基礎、蓋梁、梁體和節點宜作為能力保護構件，即強梁弱柱， “鐵抗規”第7.1.2 條規定對墩身基礎進行抗震驗算，上部結構可不進行抗震強度和穩定性驗算，但應采取抗震措施，這點與建筑結構抗震設計不同，建筑結構要求強柱弱梁，避免形成機動機構，如圖3 所示。現行設計方法采用罕遇地震下塑性鉸出現在墩柱上下端的破壞模式，建議墩柱根處采取芯柱[6]或柱根增大配筋等加強措施，避免在柱根處產生塑性鉸，在柱上端產生塑性鉸，增強結構抗倒塌能力。也可采用加斜撐、抗震墻[6]（通常影響建筑美觀而不被采用）等加強措施。

圖2 橋梁塑性鉸區域（柱底和柱頂）

圖3 建筑塑性鉸區域（左梁端塑性鉸，右柱塑性鉸）

3 層間剛度均勻性

高架車站軌道層重量較為集中，形成頭重腳輕的結構體系，橋梁規范無上下層剛度比、層間抗剪承載力力比值等要求，無薄弱層、軟弱層相應加強的措施。設計時按建筑抗震規范調整各層剛度比和層間抗剪承載力達到建筑抗震設計規范的要求。

4 結論及建議

雙柱單跨高架車站結構同時具有建筑結構和橋梁結構的特征，目前 “橋規”和“建規”不完全協調，兩種規范摩擦樁樁基豎向承載力差異較大。

抗震設計塑性鉸位置不同，“橋規”強梁弱柱，“建規”強柱弱梁，兩者實現地震下延性及耗能方式不同，如何實現兩者統一尚需進一步研究，現階段塑性鉸設計在墩柱上，建議墩柱底端增設芯柱等抗震措施，增強結構防倒塌能力；建筑結構計算軟件較為成熟，操作方便，可采用性能設計，中震彈性或罕遇地震不屈服進行設計[6]，可滿足結構抗震需求，而后采用“橋規”進行構件驗算，簡化設計方法。

結構各層剛度及質量分布宜不均勻，應按“建規”進行剛度比控制，避免上下層剛度相差過大，不利于抗震。