雙柱單跨橋建合一高架車站設(shè)計(jì)存在問題

林玉燕

（福州軌道交通設(shè)計(jì)院有限公司， 福州 350000）

由于與道路線路走向結(jié)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(shè)較多，但該類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較難；目前雙柱單跨高架車站設(shè)計(jì)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(chǔ)按現(xiàn)行鐵路橋涵設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范（以下簡稱“橋規(guī)”）執(zhí)行，其他構(gòu)件按建筑相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行（以下簡稱“建規(guī)”）。現(xiàn)行的設(shè)計(jì)方法存在問題[2],橋規(guī)和建規(guī)兩套規(guī)范體系目前并不協(xié)調(diào)，抗震設(shè)計(jì)路徑不同。采用橫向單跨模型或整體結(jié)構(gòu)有限元模型對高架車站多遇、設(shè)計(jì)、罕遇地震作用[3][4][5]下的非線性時(shí)程分析進(jìn)行構(gòu)件的能力保護(hù)驗(yàn)算。本文結(jié)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(guī)”與“建規(guī)”的差異，介紹設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的差異

摩擦樁豎向承載力計(jì)算不同，樁基應(yīng)進(jìn)行罕遇地震作用下彈性驗(yàn)算。

《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10093-2017（以下簡稱“鐵基規(guī)”）與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-2008（以下簡稱“建樁規(guī)”）樁基的設(shè)計(jì)方法不同，摩擦端承樁計(jì)算的差異較大。

“建樁規(guī)”采用極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算， “鐵基規(guī)”采用單樁容許承載力進(jìn)行樁基承載力設(shè)計(jì)。鐵基規(guī)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(guī)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(jì)算的樁承載力特征值/容許承載力的差異。建樁規(guī)計(jì)算的樁承載力特征值7900 kN（樁側(cè)4928kN，樁端3000kN），鐵基規(guī)計(jì)算的容許承載力6480kN（樁側(cè)5870kN，樁端力610kN），可見兩種規(guī)范計(jì)算樁承載力差異不小。

雙柱單跨框架結(jié)構(gòu)按《城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)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(hù)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(shè)計(jì)的差異

延性設(shè)計(jì)塑性鉸位置不同，“強(qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)梁弱柱”的差異。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.5 條甲、乙類建筑不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)，因單跨框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度小，結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)少，耗能能力弱，缺少多道設(shè)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(jié)構(gòu)，而橋梁大量存在單柱墩和雙柱墩，因而允許采用單跨結(jié)構(gòu)；《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定雙柱單跨及單柱高架車站抗震按《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱“鐵抗規(guī)”）規(guī)定執(zhí)行，鐵抗規(guī)抗震設(shè)計(jì)“小震不壞、中震可修、大震不倒”與建筑抗震設(shè)計(jì)相同，但實(shí)現(xiàn)的方式不同。橋梁采用能力設(shè)計(jì)法，即通過延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件（在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，把脆性構(gòu)件以及不希望發(fā)生非彈性變形的構(gòu)件，統(tǒng)稱為能力保護(hù)構(gòu)件）之間的強(qiáng)度安全等級差異，確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生脆性破壞模式。鋼筋混凝土墩柱橋梁在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，塑性鉸的位置一般選擇出現(xiàn)在墩柱上（便于觀察及修復(fù)，如圖2 所示），墩柱作為延性構(gòu)件設(shè)計(jì)，可以發(fā)生塑性變形，耗散地震能量，橋梁基礎(chǔ)、蓋梁、梁體和節(jié)點(diǎn)宜作為能力保護(hù)構(gòu)件，即強(qiáng)梁弱柱， “鐵抗規(guī)”第7.1.2 條規(guī)定對墩身基礎(chǔ)進(jìn)行抗震驗(yàn)算，上部結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算，但應(yīng)采取抗震措施，這點(diǎn)與建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)不同，建筑結(jié)構(gòu)要求強(qiáng)柱弱梁，避免形成機(jī)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖3 所示。現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法采用罕遇地震下塑性鉸出現(xiàn)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(qiáng)措施，避免在柱根處產(chǎn)生塑性鉸，在柱上端產(chǎn)生塑性鉸，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)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(qiáng)措施。

圖2 橋梁塑性鉸區(qū)域（柱底和柱頂）

圖3 建筑塑性鉸區(qū)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(jié)構(gòu)體系，橋梁規(guī)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(yīng)加強(qiáng)的措施。設(shè)計(jì)時(shí)按建筑抗震規(guī)范調(diào)整各層剛度比和層間抗剪承載力達(dá)到建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

4 結(jié)論及建議

雙柱單跨高架車站結(jié)構(gòu)同時(shí)具有建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的特征，目前 “橋規(guī)”和“建規(guī)”不完全協(xié)調(diào)，兩種規(guī)范摩擦樁樁基豎向承載力差異較大。

抗震設(shè)計(jì)塑性鉸位置不同，“橋規(guī)”強(qiáng)梁弱柱，“建規(guī)”強(qiáng)柱弱梁，兩者實(shí)現(xiàn)地震下延性及耗能方式不同，如何實(shí)現(xiàn)兩者統(tǒng)一尚需進(jìn)一步研究，現(xiàn)階段塑性鉸設(shè)計(jì)在墩柱上，建議墩柱底端增設(shè)芯柱等抗震措施，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)防倒塌能力；建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件較為成熟，操作方便，可采用性能設(shè)計(jì)，中震彈性或罕遇地震不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]，可滿足結(jié)構(gòu)抗震需求，而后采用“橋規(guī)”進(jìn)行構(gòu)件驗(yàn)算，簡化設(shè)計(jì)方法。

結(jié)構(gòu)各層剛度及質(zhì)量分布宜不均勻，應(yīng)按“建規(guī)”進(jìn)行剛度比控制，避免上下層剛度相差過大，不利于抗震。