軌道交通“橋建合一”高架車站大懸臂獨柱墩結構設計研究

毛遠文，任 科，劉志軍

（中鐵二院貴陽勘察設計研究院有限責任公司，貴州 貴陽550002）

1 工程概況

貴陽市軌道交通1 號線西延線工程“橋建合一”竇官高架車站采用大懸臂蓋梁獨柱墩的高架結構。車站位于貴陽市觀山湖區，沿金朱西路呈東西向布置，為地面三層側式高架站，車站全長120.0 m，寬22.0 m，南北兩側各設置1 個出入口天橋。

該高架車站具有縱向墩間距大、站內設備重的顯著特點，空間框架體系受混凝土收縮、徐變及溫度力影響明顯。設計的技術關鍵是大懸臂蓋梁獨柱橋墩，尤其是蓋梁的最大懸臂長度超過11.6 m，國內尚不多見。

2 主要技術標準

竇官高架車站結構采用如下技術標準進行設計。

（1）區間高架結構應滿足耐久性要求。橋梁主要承重結構設計滿足正常使用要求100 a。

（2）設計速度：最大設計時速80 km/h。

（3）正線數目：雙線。線間距5.0 m，最小曲線半徑：350 m。該橋位于R=800 m 的緩和曲線及直線上。

（4）軌距：1435 mm。

（5）車型及軸重：采用B 型車，單軸重140 kN。

（6）牽引種類：電力。

（7）全線設計標準按一次鋪設無縫線路。橋上無縫線路設計按 《鐵路無縫線路設計規范》（TB 10015—2012）執行。

（8）環境：一般大氣條件下無防護措施的地面結構，環境類別為碳化環境，作用等級為T2。

（9）地震設計標準：地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s。高架站抗震設防類別為B 類，抗震設防措施等級為7 級。

3 高架車站結構總體設計

該高架車站采用“橋建合一”結構體系，橋梁跨度采用8×15 m 簡支梁布設（見圖1）。車站墩柱采用“干”字型橋墩，頂層蓋梁支撐軌道梁及站臺板，底層蓋梁支撐站廳層，并與站房縱梁現澆在一起，主要承重結構為獨柱墩雙層蓋梁框架體系（見圖2）。結合該線高架梁型情況，軌道梁選用預應力混凝土箱梁，梁體支承于橋墩蓋梁上。軌道梁都采用雙線單箱單室預應力混凝土簡支梁。箱梁采用斜腹板飛雁式，箱梁翼緣根部及腹板、箱底交界處采用圓弧倒角處理，保證梁體外觀的線條流暢。該橋箱梁頂寬統一采用8.2 m，梁高1.2 m。

圖1 竇官高架車站立面示意圖（單位：mm）

蓋梁、墩柱、基礎為橋梁結構和房建結構共有，橋梁橫向框架通過房建結構縱向梁板整體剛結，形成空間框架梁格體系。“干”字墩上、下層蓋梁均采用全預應力混凝土結構，下墩柱平均墩高為6.0 m，上墩柱墩高為3.05 m。車站結構在3 號和5 號墩各設一道橫向斷縫，縫寬10 cm，將車站分成三聯。

圖2 竇官高架車站典型橫斷面圖

4 結構設計分析

4.1 收縮、徐變、溫度力的影響

“橋建合一”高架車站中，一般都為多次超靜定結構體系。混凝土的收縮、徐變，以及升降溫對結構的影響非常明顯。收縮、系統整體降溫使車站兩端墩柱底部產生巨大的彎矩，雖然混凝土徐變效應在一定程度上能對其產生一定的抵消作用，但三者的綜合作用仍是墩柱設計的控制因素。再者，混凝土徐變及系統整體升溫對墩底的效應是同向的，在含有以上兩項的組合中，車站端頭墩的反向彎矩比較大。加上車站在受到以上作用力的同時，還可能受到風荷載、車輛制動力等縱向力的作用，車站的橋墩將是一個雙向受力的構件。當車站結構設計不合理時，很容易導致靠近車站端頭處的墩柱不能滿足規范要求；同時，因為墩底外力的增加給車站基礎設計帶來較大的困難。因此，設計此類車站結構時，必須注意盡量減小收縮、徐變，以及溫度力對車站結構的影響。

采用MIDAS 有限元軟件建立空間計算模型，對混凝土收縮、徐變，以及溫度力對空間剛架的“橋建合一”高架車站的影響進行分析。車站結構按如下方式進行模擬：車站墩柱、橋梁蓋梁、軌道梁、房建結構的縱橫梁按空間梁單位模擬；車站的站廳樓板、站臺樓板等采用6 自由度的彈性板單元模擬（見圖3）。

圖3 竇官高架車站空間有限元模型

墩柱高度較小，剛度較大的且縱橫梁固結的車站，溫度力通常成為控制設計的主要因素。墩柱的截面大小對溫度力有著非常明顯的影響。加大墩柱的截面尺寸能夠提高墩柱本身的承載能力，但同時墩柱剛度的增加，從而導致墩柱溫度力的增加。圖4 為墩柱在不同截面尺寸、不設伸縮縫情況下，主力加附加力的墩底順橋向最大彎矩圖。

圖4 墩底順橋向彎矩圖（主力+ 附加力）（單位：kN·m）

在車站3 號墩和5 號墩分別設置一處伸縮縫，將車站分成三聯。圖5 為設置變形縫下的主力加附加力工況下的墩底順橋向最大彎矩圖。

圖5 墩底（3.5 m×2.0 m）順橋向彎矩圖（主力+ 附加力）（單位：kN·m）

通過分析可以發現，空間框架體系的車站，若不設置伸縮縫，則結構超靜定聯長太長，混凝土的收縮、徐變及溫度荷載對車站兩端墩柱底部產生較大的彎矩。通過設置伸縮縫后，墩底彎矩減小約65%，有效地減小了收縮、徐變及溫度所產生的結構內力。

4.2 大懸臂蓋梁預應力設計

作為高架車站獨柱墩主要承載構件的蓋梁，由于站臺和站廳等建筑要求，一般懸臂較大，且荷載種類和分布狀態較為復雜。蓋梁分為上層蓋梁和下層蓋梁。上層蓋梁承受站臺層、軌道梁、屋架荷載、列車荷載等；下層蓋梁主要承受站廳層樓面荷載、設備、電纜夾層等。上層蓋梁最大懸臂長度為11.6 m，下層蓋梁最大懸臂長度為11.0 m。

為抵抗外荷載，鋼束在蓋梁根部靠近上緣布置，接近懸臂端逐漸下彎錨固。下緣鋼束布置形式可采用S 形布置和直線形布置（見圖6、圖7）。

圖6 蓋梁預應力S 形線形布置圖（單位：m）

圖7 蓋梁預應力直線線形布置圖（單位：m）

第一種鋼束線形布置，由于鋼束較貼近上緣，蓋梁下緣在施工階段將產生較大的拉應力。第二種鋼束線形布置，可較好地解決下緣拉應力的問題，但由于下排鋼束放置位置較低，較第一種方式需要增加鋼束的配置量。

采用DRbridge 結構計算軟件進行分析計算。車站的施工工藝為從下往上，先施工下墩柱和蓋梁、站廳層梁板，待蓋梁混凝土強度達到設計要求后，對稱張拉下層蓋梁鋼束。站廳層搭設支架，施工上墩柱和蓋梁、站臺層梁、板、柱等，待蓋梁混凝土強度達到設計要求后，對稱張拉上層蓋梁鋼束，最后施工軌道梁。鋼束張拉均按一次到位。圖8 為上層和下層蓋梁端部錨固區布置圖。

圖8 上層和下層蓋梁端部錨固區布置圖（單位：cm）

表1 為施工階段蓋梁上下緣應力表，表2 為最不利工況下蓋梁應力及強度計算結果一覽表。

從表1 可知，采用S 形鋼束布置，一次張拉到位，蓋梁下緣最小拉應力滿足規范要求，方便了施工，并避免鋼束直線布置而導致鋼束配置的浪費。表2 表明在最不利工況下，上、下層蓋梁正截面強度最小安全系數和應力均滿足規范要求。

表1 施工階段蓋梁上下緣應力表 單位：MP a

表2 最不利工況下蓋梁應力及強度計算結果一覽表

根據地鐵設計規范[1]，“橋-建”組合結構體系懸臂端計算撓度限值為L0/600；L0為懸臂構件的計算跨度，參照《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）中L0為實際懸臂長度的2 倍[2]。

在恒荷載、列車活載、人群荷載、預應力效應及風荷載最不利荷載組合下，大懸臂蓋梁最大撓度（見表3）小于規范限值。

表3 最不利工況下蓋梁懸臂端部豎向最大撓度表 單位：mm

5 結 論

目前我國高架車站的建設越來越多，但對其結構的研究尚未形成一個完整、成熟的體系，尤其對于受力和傳力方式都較為復雜的“橋建合一”的車站結構，仍有較大的研究空間。本文對空間框架體系的竇官高架車站中的溫度、徐變，以及溫度力的影響進行了分析，并對大懸臂蓋梁鋼束的配置、應力、強度、變形等方面做了一定的計算和分析，得出以下結論：

（1）混凝土的收縮、徐變及溫度荷載對空間框架體系的車站兩端墩柱底部產生較大的彎矩。通過設置伸縮縫后，能有效地減小收縮、徐變及溫度所產生的結構內力。

（2）竇官高架車站蓋梁鋼束采用S 形布置，一次張拉到位，蓋梁下緣最小拉應力滿足規范要求。若應力超標，可采用分批次張拉或直線形鋼束布置。

（3）對于樓板結構亦可設置后澆帶，通過采用后澆帶的施工工藝，對車站進行分段澆注，讓一部分收縮、徐變發生在結構合龍前，從而減小混凝土收縮、徐變所產生的結構內力。