軌道交通高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閻一瀾

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國越來越多的城市開始加強(qiáng)軌道交通的建設(shè)。南寧市武鳴線工程武華大道站為路中三層側(cè)式高架站，為"橋建合一"結(jié)構(gòu)。本文應(yīng)用PKPM程序建立該車站的三維有限元模型，分析了該車站的地震響應(yīng)和在地震作用下所產(chǎn)生的內(nèi)力和位移變形，最后驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的安全性能，其設(shè)計(jì)方法和成果可為同類高架車站提供設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：高架站;PKPM;地震作用;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 工程概況

南寧市位于中國的西南地區(qū)，地質(zhì)地理?xiàng)l件相對較穩(wěn)定，歷史上出現(xiàn)的地震多在5級以下，地層活動活動不太活躍，因而災(zāi)害性比較小。武鳴線工程全長約53.2km，南起安吉客運(yùn)站，北至完美世界，線路共設(shè)車站13座，其中高架站10座、地下站2座、地面站1座。線路經(jīng)過武鳴區(qū)的抗震設(shè)防烈度為VI度。武華大道站為其中的一座高架站。

武華大道站位于南寧市定合路與武華大道路口南側(cè)，沿定合路南北向布置，道路東側(cè)有一個水泥廠，定合路盡頭現(xiàn)場有圍擋（上有征地拆遷字樣）。規(guī)劃圖上定合路與完美世界新建道路要實(shí)現(xiàn)貫通。該車站總長120m。車站設(shè)計(jì)方案應(yīng)與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，在確保建筑結(jié)構(gòu)安全的同時也保證景觀效果良好。結(jié)合市郊鐵路武鳴線工程具體地質(zhì)條件和周圍的道路及建筑分布，該站采用“橋建合一”的高架結(jié)構(gòu)，其中，從第一到第三層依次為站廳層、站臺板下層、站臺層，三層均采用框架結(jié)構(gòu)。本工程的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是單柱蓋梁上的框架結(jié)構(gòu)的布置。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在滿足建筑使用功能的前提下，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的承載力、剛度和穩(wěn)定性，使結(jié)構(gòu)斷面尺寸及配筋經(jīng)濟(jì)合理。武華大道站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用如下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

（1）本站建筑物的設(shè)計(jì)使用年限設(shè)定為100年，建筑安全等級設(shè)為一級，建筑結(jié)構(gòu)耐火等級設(shè)為二級。

（2）本站主體結(jié)構(gòu)的抗震等級設(shè)定為二級，抗震設(shè)防類別為乙類。地震設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，抗震基本烈度為6度。

（3）對于橋建合一工程體系，為了安全起見，應(yīng)進(jìn)行荷載最不利組合。

（4）對于車站橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫，在一般大氣環(huán)境下，按有防護(hù)措施情況下為0.25mm，無防護(hù)措施情況下為0.2mm進(jìn)行控制。

（5）軌道梁梁體在豎向靜活載下豎向撓度限值為L/2000。

（6）相鄰基礎(chǔ)的沉降極限為：有碴橋面不得超過20 mm，無碴橋面不得超過10 mm。

3結(jié)構(gòu)方案

3.1設(shè)計(jì)尺寸

武華大道站結(jié)構(gòu)的主要尺寸如表1所示，包含對站廳層、站臺板下層（軌道層）和站臺層的梁、柱、板尺寸的設(shè)計(jì)。

3.2主要荷載

（1）恒載

對于樓面恒載，本文依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行添加。樓板自重由PKPM自動計(jì)算得出。除了樓板本身自重，考慮到混凝土面層、板底抹灰、二次裝修等，站廳層、軌道層、站臺層的恒載依次在板自重的基礎(chǔ)上增加3KN/m2、1KN/m2、2KN/m2。有直升梯的部位需進(jìn)行樓板開洞。各層的梁間荷載依據(jù)墻厚、墻高、抹灰厚分別設(shè)定為18kN/m、3.7kN/m、15kN/m。

（2）活載

武華大道站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為純框架式。本文考慮的活載可以分為兩部分，一部分是由列車在軌道上運(yùn)行引起的，另一部分是施加在樓板上的活載，如人群荷載，以及風(fēng)荷載等。由列車引起的荷載包括列車動力作用、無縫線路縱向水平力、列車離心力等。站廳層、軌道層、站臺層的活載依次取為8KN/m2、1KN/m2、4KN/m2。

（3）附加力

本工程中附加力考慮的是列車橫向搖擺力、制動力或牽引力、以及溫度的變化。鋼筋混凝土材料具有熱脹冷縮的特性，因而必須要考慮溫度應(yīng)力的影響。根據(jù)南寧市具體氣候情況，車站溫度作用按整體溫度升高10℃和降低10℃來考慮。

3.3車站主體結(jié)構(gòu)方案

結(jié)合市郊高速鐵路武鳴線改建工程具體條件，本站主體采用“橋建合一”的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式，車站屋蓋采用鋼結(jié)構(gòu)，軌道梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，車站基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，站廳和站臺的樓板均采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3.4梁型結(jié)構(gòu)方案

本工程的梁結(jié)構(gòu)采用T梁。T梁結(jié)構(gòu)是一種常見的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式。這種結(jié)構(gòu)具有成熟的工程施工和建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，不僅可以減小混凝土梁的用量，而且跨越能力大，最大穿越跨度可達(dá)50m。

3.5橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)本線地質(zhì)條件，土體承載力不高，擴(kuò)大基礎(chǔ)不適用于本項(xiàng)目;鋼筋混凝土預(yù)制樁的承載力低、沉降大，因此這種基礎(chǔ)用在本項(xiàng)目也并不適用;人工挖孔樁由于施工風(fēng)險較大，不建議使用;夯實(shí)樁由于本工程經(jīng)過南寧市區(qū)及多個村莊，打擊夯實(shí)過程會對現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此本線采用承臺+鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

4計(jì)算模型及數(shù)值分析

本站結(jié)構(gòu)采用PKPM建立車站三維計(jì)算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

4.1抗震分析

（1） 結(jié)構(gòu)周期及振型方向

經(jīng)計(jì)算，本工程地震作用的最不利方向角為-90.00度。

（2）各地震方向參與振型的有效質(zhì)量系數(shù)

根據(jù)《高規(guī)》5.1.13條，各振型的參與質(zhì)量之和不應(yīng)小于總質(zhì)量的90%。本工程中，第1地震方向EX的有效質(zhì)量系數(shù)和第2地震方向EY的有效質(zhì)量系分別為99.22%和94.99%，因此參與振型足夠。

（3）地震作用下結(jié)構(gòu)剪重比

根據(jù)《抗規(guī)》5.2.5條規(guī)定，6度（0.05g）設(shè)防地區(qū)，水平地震影響系數(shù)最大值為0.04，X向樓層和Y向樓層的剪重比均不應(yīng)小于0.80%。由圖4可見， 本設(shè)計(jì)的X向和Y向地震的剪重比均符合要求。

4.2變形驗(yàn)算

根據(jù)《高規(guī)》3.7.3條規(guī)定和《抗規(guī)》3.4.3-1規(guī)定，經(jīng)驗(yàn)算，本工程在各種工況下的最大層間位移角、最大位移比、最大層間位移比均滿足規(guī)范要求。具體結(jié)果如表3所示。

4.3抗傾覆和穩(wěn)定驗(yàn)算

（1）抗傾覆驗(yàn)算

根據(jù)《高規(guī)》12.1.7條，在重力荷載與水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值或重力荷載代表值與多遇水平地震標(biāo)準(zhǔn)值共同作用下，高寬比大于4的高層建筑，基礎(chǔ)底面不宜出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū);高寬比不大于4的高層建筑，基礎(chǔ)底面與地基之間零應(yīng)力區(qū)面積不應(yīng)超過基礎(chǔ)底面面積的15%。結(jié)構(gòu)的抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果滿足要求。

（2） 整體穩(wěn)定剛重比驗(yàn)算

該結(jié)構(gòu)最小剛重比Di*Hi/Gi（109.94，第3層）不小于20，可以不考慮重力二階效應(yīng);最小剛重比Di*Hi/Gi不小于10，能夠通過高規(guī)（5.4.4）的整體穩(wěn)定驗(yàn)算。

5結(jié)語

本文首先介紹了南寧市武華大道站的工程概況和進(jìn)行高架站設(shè)計(jì)時所采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，接著介紹了該站的結(jié)構(gòu)尺寸、主要荷載、車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、梁型設(shè)計(jì)、橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基于上述設(shè)計(jì)參數(shù)，本文對該高架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震分析、變形驗(yàn)算、抗傾覆和穩(wěn)定驗(yàn)算。經(jīng)檢驗(yàn)，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)無超筋超限，滿足各項(xiàng)規(guī)范的要求，可為類似的高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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