“橋建合一”獨柱大懸臂高架車站設(shè)計要點研究

廖宇飚

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

近年來,城市軌道交通進入快速發(fā)展的階段,跨座式單軌以其靈活性、經(jīng)濟性和適用性等優(yōu)勢,已逐步成為二、三線城市的主要軌道交通制式[1]。跨座式單軌高架線路一般沿城市主干道設(shè)置,高架車站位于人流和交通密集區(qū)域,“橋建合一”獨柱大懸臂高架車站由于其良好的景觀性和道路的適應(yīng)性被廣泛采用[2]。

目前,國內(nèi)眾多學者對獨柱大懸臂高架車站體系進行研究。聶建國等通過試驗和計算分析相結(jié)合的方法,認為采用獨柱鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系可有效減小構(gòu)件尺寸,減小結(jié)構(gòu)自重和地震作用[3];趙丹等基于工程實例,通過有限元計算分析的方法,對獨柱車站關(guān)鍵構(gòu)件的抗震性能進行研究[4];潘寧等基于工程實例,采用動力彈塑性非線性分析方法,分析該結(jié)構(gòu)體系在罕遇地震作用下構(gòu)件的塑性發(fā)展過程及塑性狀態(tài),并給出相應(yīng)的設(shè)計加強建議[5];史振云等以越南河內(nèi)城市軌道交通建設(shè)項目吉靈-河?xùn)|線為例,探討該體系的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計要點[6];楊開屏等基于工程實例,采用對比分析的方法,探討?yīng)氈囌径罩突A(chǔ)分別采用建筑相關(guān)規(guī)范和鐵路橋涵規(guī)范設(shè)計的異同[7]。

不難看出,該結(jié)構(gòu)體系在順軌向為單榀框架結(jié)構(gòu),在橫軌向為上大下小的多榀獨柱懸臂結(jié)構(gòu),依靠順軌道梁和樓板連接,其側(cè)向剛度弱,抗震冗余度較低[8]。因此,若按常規(guī)結(jié)構(gòu)“小震彈性”的思路進行抗震設(shè)計,結(jié)構(gòu)的安全性會存在一定的隱患。另外,高架車站涉及鐵路、城市軌道交通兩個領(lǐng)域的建筑、結(jié)構(gòu)、橋梁等多個交叉專業(yè),對于該類型結(jié)構(gòu)設(shè)計,缺乏統(tǒng)一的設(shè)計標準,不同的行業(yè)標準存在差異,結(jié)構(gòu)設(shè)計時存在一定困難。

針對上述問題,以多個工程實例為背景,利用有限元軟件進行計算對比分析,對“橋建合一”獨柱大懸臂高架車站的結(jié)構(gòu)特點和若干重要設(shè)計要點進行研究,以期為類似工程的設(shè)計提供一些有益的思路。

2 若干設(shè)計要點的闡述和討論

2.1 結(jié)構(gòu)體系的特點及材料的選擇

(1)結(jié)構(gòu)典型布置特點

獨柱大懸臂高架車站一般位于道路中間,橫斷面呈“T”形或“干”形,首層為架空層,2 層為站廳層,3 層為“軌道層+站臺層”,其上是鋼結(jié)構(gòu)屋蓋,順軌向柱距一般為13.5～16 m,橫軌向懸挑長度一般為7～12 m,車站平面尺寸為(14～22) m×(60～80) m,典型的高架車站三維模型見圖1。

圖1 典型高架獨柱大懸臂高架車站三維模型

(2)結(jié)構(gòu)體系的特點分析

獨柱大懸臂高架車站結(jié)構(gòu)長寬比大,其順軌向和橫軌向剛度差異大,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。“上大下小、頭重腳輕”的高架形式和長懸臂導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)在水平、豎向地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)較大,結(jié)構(gòu)橫軌向為靜定的獨柱懸臂結(jié)構(gòu),缺乏多道抗震防線,冗余度較差,在地震作用下,墩柱一旦發(fā)生破壞,結(jié)構(gòu)會在重力二階效應(yīng)的影響下迅速倒塌。

(3)材料的選擇

在大學階段，寬松的環(huán)境使大學生被壓抑的自我意識猛然反彈，容易陷入自負與自卑兩種誤區(qū)，自我認識片面單一，難以妥善處理自己與外部環(huán)境之間的關(guān)系。尤其是在缺乏真正有效的社會實踐活動的情況下，由于很難切身體驗職場的真實狀態(tài)，因此，一旦直接面對社會的激烈競爭，就覺得自己學無所長，立身無本。

由于獨柱大懸臂高架車站體系缺乏多道抗震防線,需通過增大構(gòu)件尺寸來獲取安全系數(shù)儲備。當采用混凝土結(jié)構(gòu)形式時,混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和延性不如鋼結(jié)構(gòu),構(gòu)件截面較鋼結(jié)構(gòu)大,構(gòu)件截面和自重的增加反過來又會引起地震作用增大。因此,在高烈度地區(qū),構(gòu)件截面和地震作用之間會形成惡性循環(huán),材料的利用效率不高。而鋼—混組合結(jié)構(gòu)兼具混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,通過鋼管約束提高混凝土材料的承載能力與延性,通過混凝土的填充改善鋼管的穩(wěn)定問題,可有效減小結(jié)構(gòu)件尺寸,減輕結(jié)構(gòu)自重,降低地震作用,提高抗震性能[9]。

表1 為某“T”形高架車站鋼-混組合結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸對比。由表1 可知,順軌向柱距稍大。通過分析對比可以看出,鋼-混組合高架車站結(jié)構(gòu)的重力荷載代表值為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的55.8%,可大幅減小地震響應(yīng);鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的柱墩截面積更小,僅為鋼筋混凝土柱的46%。盡管鋼管混凝土組合高架車站結(jié)構(gòu)材料造價略高,但其裝配化程度高,施工免支模等優(yōu)點可有效減少濕作業(yè),大幅縮短施工周期,綜合造價優(yōu)異。

表1 某“T”形高架車站主要構(gòu)件尺寸

綜合以上的分析,在抗震設(shè)防烈度7 度(0.15g)以上的高烈度地區(qū),采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)可獲得更優(yōu)的性價比。

2.2 設(shè)計標準和抗震設(shè)計方法

(1)設(shè)計標準的選擇

“橋建合一”的結(jié)構(gòu),對于直接承受列車動荷載的軌道梁、支承軌道梁的橫梁、支承橫梁的墩柱及基礎(chǔ),應(yīng)按國家鐵路相關(guān)標準進行荷載組合和結(jié)構(gòu)設(shè)計[10]。

因此,對于“橋建合一”獨柱大懸臂高架車站,可先整體按國家民用建筑相關(guān)規(guī)范進行設(shè)計,對于軌道梁、支承軌道梁的橫梁、支承橫梁的墩柱及基礎(chǔ),應(yīng)按國家鐵路相關(guān)標準進行包絡(luò)設(shè)計。

(2)抗震設(shè)計方法

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中提出所有房屋建筑均應(yīng)達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防目標[11];《公路橋梁抗震設(shè)計細則》和《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》也引入能力保護設(shè)計原則來確保結(jié)構(gòu)的抗震性能。目前在民用建筑設(shè)計中,對于常規(guī)建筑一般采用小震彈性設(shè)計思路[12-13]。

獨柱大懸挑高架車站為特殊結(jié)構(gòu),在強震作用下,橫軌向的抗倒塌能力很弱,鑒于高架車站在軌道交通中的重要性,應(yīng)采用比小震彈性要求更高的抗震性能化設(shè)計。考慮社會效益、構(gòu)件重要性、經(jīng)濟因素,結(jié)合概念設(shè)計中“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節(jié)點弱構(gòu)件”和“多道防線”的理念,整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗震性能目標見表2。

表2 抗震性能目標

由表2 可知,多遇地震可采用彈性分解反應(yīng)譜法進行計算,采用彈性時程分析法進行補充驗算,設(shè)防地震、罕遇地震可采用彈塑性時程分析法進行驗算。

2.3 基礎(chǔ)模擬方式的選取

民用建筑設(shè)計中,計算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)時,一般將基礎(chǔ)頂面設(shè)為剛接,必要時也可采用等效彈簧模擬的模型進行計算;而城市軌道交通規(guī)范規(guī)定,高架車站承受列車荷載的結(jié)構(gòu),設(shè)計地震作用基準面宜取在樁基礎(chǔ)的樁尖位置,可采用線性彈簧模擬樁側(cè)摩阻和樁端摩阻對樁的約束作用,考慮樁土相互作用。

目前,對高架獨柱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)模擬已有相關(guān)研究。其中,有學者認為,在罕遇地震作用下,橫軌向兩種方案的基底剪力、層間位移和層間位移角基本一致;順軌向考慮樁土作用模型的基底剪力為剛接模型的120%,最大層間位移和層間位移角為剛接模型的2倍,單個墩柱的內(nèi)力和塑形損傷均大于剛接模型;也有學者認為,考慮樁土共同作用,會使結(jié)構(gòu)體系的自振周期延長、變形反應(yīng)加大,且結(jié)構(gòu)的自振周期及變形反應(yīng)隨著基礎(chǔ)約束的減弱而增大;結(jié)構(gòu)橫軌向兩種方案的基底剪力比較接近,順軌向的基底剪力隨著基礎(chǔ)約束剛度的減弱增加10%～20%;由于扭轉(zhuǎn)效應(yīng),基礎(chǔ)約束剛度的減弱對中部構(gòu)件的內(nèi)力影響較小,對邊部構(gòu)件內(nèi)力的增加影響較大[14-15]。

當考慮樁土相互作用時,隨著基礎(chǔ)約束剛度的削弱,高架獨柱結(jié)構(gòu)的層間位移和基底剪力都有不同程度的增加,且邊部構(gòu)件的內(nèi)力和變形增幅較大。從結(jié)構(gòu)的安全可靠性出發(fā),設(shè)計時宜考慮樁土相互作用,地震作用基準面取在樁基礎(chǔ)的樁尖位置,土彈簧剛度可參考相關(guān)規(guī)范進行包絡(luò)設(shè)計。

2.4 蓋梁的次彎矩和扭矩

獨柱高架車站站廳層大懸挑蓋梁除了承受本層的荷載外,還承受上部軌道層、站臺層、屋蓋傳遞的豎向荷載;在順軌向地震作用下,大懸挑蓋梁與順軌向框架梁、樓板共同承擔傳遞順軌向水平地震作用的功能,其受力特點與普通結(jié)構(gòu)的懸臂梁有所差異。

圖2 為某“T”形混凝土高架獨柱車站,懸臂蓋梁每側(cè)懸挑8 m,在8 度罕遇地震作用下的彎矩見圖2。由圖2 可知,在順軌向罕遇地震作用下,懸挑蓋梁根部的次彎矩為12 704 kN·m,扭矩為18 937 kN·m,較橫軌向地震作用下的主彎矩21 529 kN·m 略小。通過進一步分析可知,順軌道框架梁的抗彎線剛度與懸挑蓋梁根部的次彎矩和扭矩密切相關(guān),增大順軌道框架梁的抗彎剛度可有效減小懸挑蓋梁根部的次彎矩和扭矩。在設(shè)計時,應(yīng)適當提高順軌向框架梁的截面,以減小懸挑蓋梁的次彎矩和扭矩,懸臂蓋梁應(yīng)按雙向受彎,受剪、受扭復(fù)合狀態(tài)進行計算。

圖2 罕遇地震下懸挑蓋梁彎矩

2.5 鋼屋蓋對整體結(jié)構(gòu)的影響

在方案研究階段,由于屋蓋形式的不確定性,往往采取估算鋼屋蓋荷載的方式,并將其加在站臺節(jié)點的簡化方式進行計算分析,屋蓋模型見圖3。

圖3 “T”形有、無鋼屋蓋模型

表3 為某“T”形組合高架車站的兩種方案的整體計算結(jié)果。由表3 可知,由于鋼屋蓋較下部結(jié)構(gòu)剛度小,故帶鋼屋蓋方案的橫軌向、順軌向、扭轉(zhuǎn)的1 階振型均包含上部鋼結(jié)構(gòu)的反應(yīng),對應(yīng)周期均較無鋼屋蓋的方案大,振型參與質(zhì)量系數(shù)小;在地震作用下,不帶鋼屋蓋方案的基底剪力較帶鋼屋蓋方案明顯增大,其中,橫軌向增大58%,順軌向增大21%,兩種方案的橫軌向、順軌向、扭轉(zhuǎn)的1 階振型和基底剪力有顯著的差異。綜上所述,方案研究階段,采用不帶鋼屋蓋方案進行試算安全可行;在后續(xù)設(shè)計過程中,從經(jīng)濟性和準確性角度出發(fā),應(yīng)采取帶鋼屋蓋的整體模型進行設(shè)計。

表3 有、無鋼屋蓋模型整體計算結(jié)果

3 結(jié)語

針對“橋建合一”獨柱大懸臂高架車站這種特殊復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系,通過調(diào)查研究、算例計算對比分析等手段,對其體系特點和若干設(shè)計要點進行研究,對某些規(guī)程尚未明確規(guī)定的問題,也盡量給出設(shè)計建議,主要結(jié)論如下。

(1)在抗震設(shè)防烈度7 度(0.15g)以上的高烈度地區(qū),采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)可獲得更優(yōu)的性價比。

(2)從結(jié)構(gòu)的安全可靠出發(fā),計算模型中基礎(chǔ)的模擬宜考慮樁土相互作用的影響;應(yīng)采用比小震彈性更高要求的抗震性能化設(shè)計。

(3)鋼屋蓋對整體計算結(jié)果有較大的影響,懸挑蓋梁根部的次彎矩和扭矩的影響不容忽視。