不同烈度區(qū)鋼-混凝土組合高架獨(dú)柱車站經(jīng)濟(jì)性分析

陳 慧 馬小丹 馬福東

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式單軌具有線路構(gòu)造簡(jiǎn)單、建設(shè)周期短、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、乘坐舒適和噪聲污染小等特點(diǎn),備受我國(guó)眾多城市的青睞。部分學(xué)者對(duì)跨座式單軌的經(jīng)濟(jì)適用性進(jìn)行研究,武農(nóng)等通過(guò)分析我國(guó)的城市結(jié)構(gòu)特征、軌道交通發(fā)展政策和現(xiàn)狀,說(shuō)明我國(guó)的眾多城市對(duì)軌道交通的需求具有需求大、對(duì)投資建設(shè)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和運(yùn)營(yíng)效率安全要求高等特征,并指出人口在100 萬(wàn)以上的城市即有軌道交通建設(shè)需求或潛在需求[1];趙海賓從建設(shè)周期、建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本和運(yùn)營(yíng)效益等方面對(duì)跨座式單軌交通的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析[2]。不難看出,跨座式單軌制式大多以高架形式敷設(shè),高架獨(dú)柱車站是其重要組成部分,車站的經(jīng)濟(jì)性會(huì)對(duì)整條線路的投資產(chǎn)生較大影響[3]。

目前,針對(duì)高架獨(dú)柱車站的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4-8]及抗震分析[9-14]兩方面,關(guān)于獨(dú)柱車站抗震設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性分析的相關(guān)研究相對(duì)較少。以下對(duì)該新型結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行闡述,并對(duì)該體系的經(jīng)濟(jì)性及影響工程造價(jià)的控制因素進(jìn)行分析。

2 工程實(shí)例

2.1 車站建筑規(guī)模與標(biāo)準(zhǔn)站型

基于蕪湖跨座式單軌設(shè)計(jì)研究以及對(duì)國(guó)內(nèi)在建、已運(yùn)營(yíng)的跨座式單軌高架車站的調(diào)研,除重慶單軌3 號(hào)線采用8 節(jié)編組外,其余均按照6 輛編組。因此,在標(biāo)準(zhǔn)站型的研究中,應(yīng)包容設(shè)計(jì)各類跨座式車輛參數(shù)的限界要求,考量不同跨度對(duì)房間布局以及樓扶梯設(shè)置的影響,本著提升空間的品質(zhì)環(huán)境盡可能優(yōu)化層高的原則,從平面設(shè)計(jì)與豎向設(shè)計(jì)推出該體系的最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)站型。標(biāo)準(zhǔn)站型結(jié)構(gòu)剖面和立面效果見(jiàn)圖1、圖2,高架車站結(jié)構(gòu)由上蓋鋼結(jié)構(gòu)雨棚、類似“中”形鋼-混組合結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)(嵌巖樁)組成。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)站型結(jié)構(gòu)剖面

圖2 立面效果

2.2 車站結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)原則及抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)車站結(jié)構(gòu)應(yīng)分別按施工階段和使用階段進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算,并保證有足夠的承載力、剛度和穩(wěn)定性

(2)采用“站橋合一”結(jié)構(gòu)體系,除按現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外,軌道梁、支承軌道梁的橫梁、支承橫梁的柱等構(gòu)件及基礎(chǔ),也應(yīng)按現(xiàn)行鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

(3)高架車站柱距的選擇應(yīng)結(jié)合建筑布置與橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑的選擇相匹配;車站高架結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu),應(yīng)驗(yàn)算端部豎向位移值,并按現(xiàn)行《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行控制,同時(shí)墩柱頂變形應(yīng)滿足單軌交通運(yùn)行要求。

(4)車站主體抗震設(shè)防分類為乙類、結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí),設(shè)計(jì)使用年限為100 年。

(5)車站輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)先采用鋼結(jié)構(gòu)雨棚結(jié)構(gòu),抗震設(shè)防分類為丙類,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),設(shè)計(jì)使用年限為50 年。

(6)獨(dú)柱大懸挑的結(jié)構(gòu)體系由于安全冗余度不高,抗震設(shè)計(jì)除進(jìn)行多遇地震(E1)的設(shè)計(jì)外,還應(yīng)進(jìn)行設(shè)防地震和罕遇地震(E2、E3)的抗震性能化設(shè)計(jì)。

(7)“站橋合一”結(jié)構(gòu)體系柱腳設(shè)計(jì)采用能力設(shè)計(jì)方法[15]。

(8)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

2.3 工程地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)荷載及分析方法

實(shí)際工程中,地質(zhì)條件的區(qū)域變化性很大,在不同的區(qū)域,即使有相同的柱底荷載,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)果區(qū)別也很大,本研究的重點(diǎn)是不同烈度高架獨(dú)柱車站上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的變化對(duì)工程經(jīng)濟(jì)性的影響,為了體現(xiàn)車站結(jié)構(gòu)的整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),選取某車站實(shí)際地質(zhì)條件,作為本研究的通用地質(zhì)條件。巖土體主要力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體主要力學(xué)參數(shù) kPa

高架獨(dú)柱車站上部結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)采用的荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值見(jiàn)表2。

表2 荷載信息

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

高架獨(dú)柱車站在設(shè)計(jì)時(shí),采用兩種設(shè)計(jì)方法,即按照民用建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行承載能力和正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算、按照鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行容許應(yīng)力驗(yàn)算。抗震設(shè)計(jì)中,除進(jìn)行多遇地震(E1)的設(shè)計(jì)外,還進(jìn)行了設(shè)防地震和罕遇地震(E2、E3)的抗震性能化設(shè)計(jì)。

2.5 不同烈度下車站經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分析

本研究采用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件建立模型,并按相應(yīng)規(guī)范設(shè)計(jì),確定不同烈度高架獨(dú)柱車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸,并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析,以確定影響高架獨(dú)柱車站總工程造價(jià)的關(guān)鍵因素。

(1)高架獨(dú)柱車站工程量統(tǒng)計(jì)

在各設(shè)防烈度條件下,各高架獨(dú)柱車站工程量統(tǒng)計(jì)信息見(jiàn)表3～表7。

表3 6 度區(qū)高架獨(dú)柱車站工程量統(tǒng)計(jì)

表4 7 度區(qū)(0.10g)高架獨(dú)柱車站工程量統(tǒng)計(jì)

表5 7 度區(qū)(0.15g)高架獨(dú)柱車站工程量統(tǒng)計(jì)

表6 8 度區(qū)(0.20g)高架獨(dú)柱車站工程量統(tǒng)計(jì)

表7 8 度區(qū)(0.30g)高架獨(dú)柱車站工程量統(tǒng)計(jì)

(2)高架獨(dú)柱車站上部結(jié)構(gòu)工程量比較分析

為更直觀顯示各烈度區(qū)高架獨(dú)柱車站工程量,繪制柱狀圖進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 上部結(jié)構(gòu)混凝土量對(duì)比

從圖3、圖4 中可以看出,隨著設(shè)防烈度的提高,基于標(biāo)準(zhǔn)站型的高架獨(dú)柱車站的工程量逐漸增加。由于在高烈度區(qū)高架獨(dú)柱車站的側(cè)向剛度為控制指標(biāo),故柱的工程量隨著設(shè)防烈度的變大而不斷提高。從7 度(0.10g)提升至7 度(0.15g)時(shí),柱混凝土工程量提升為原工程量的2.0 倍,柱鋼材量提升為1.7 倍;從8 度(0.20g)提升至8 度(0.30g)時(shí),柱混凝土工程量提升為2.1 倍,柱鋼材量提升為1.7 倍;當(dāng)設(shè)防烈度從6 度提升到7 度(0.10g)時(shí),高架獨(dú)柱車站工程量變化不大。

圖4 上部結(jié)構(gòu)鋼材量對(duì)比

(3)高架獨(dú)柱車站下部結(jié)構(gòu)工程量比較分析

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),同樣對(duì)高架獨(dú)柱車站下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。下部結(jié)構(gòu)工程量對(duì)比見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 下部結(jié)構(gòu)混凝土量對(duì)比

圖6 下部結(jié)構(gòu)鋼筋量對(duì)比

從圖5、圖6 可以看出,基礎(chǔ)工程量隨著設(shè)防烈度的提高而增加,這主要是由于上部結(jié)構(gòu)的工程量隨著設(shè)防烈度的增大不斷增大,上部結(jié)構(gòu)自重不斷增大,導(dǎo)致承臺(tái)尺寸和樁數(shù)增加。

土方開(kāi)挖量對(duì)比見(jiàn)圖7,從圖7 可以看出,隨設(shè)防烈度的提高不斷增大,當(dāng)設(shè)防烈度從8 度(0.20g)提升到8 度(0.30g)時(shí),土方開(kāi)挖量有較大程度的增加(增加約45%)。

圖7 土方開(kāi)挖量對(duì)比

(4)不同烈度區(qū)高架獨(dú)柱車站整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

為了更加直觀地對(duì)比各烈度區(qū)標(biāo)準(zhǔn)站型高架獨(dú)柱車站的工程造價(jià),將各烈度區(qū)高架獨(dú)柱車站工程造價(jià)以堆疊柱狀圖的形式繪制(見(jiàn)圖8),并以每平米工程造價(jià)作為技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)顯示(車站主體建筑面積為3 967.34 m2)。

從圖8 可以看出,(1)隨著設(shè)防烈度的提升,高架獨(dú)柱車站的工程造價(jià)逐漸提高,從6 度區(qū)至8 度區(qū)(0.30g) 每平米工程造價(jià)依次為:3 541.0 元、3 927.1 元、5 565.8 元、6 263.4 元和8 167.2 元。(2)設(shè)防烈度從6 度提升到7 度(0.10g),每平米工程造價(jià)增加386.1 元;從7 度(0.15g) 提升到8 度(0.20g),每平米工程造價(jià)增加697.6 元,增加幅度較小;設(shè)防烈度從7 度(0.10g)提升到7 度(0.15g)、從8 度(0.20g)提升到8 度(0.30g)時(shí),每平米工程造價(jià)分別增加1 638.7 元和1 903.8 元,工程造價(jià)變化幅度較大。

圖8 各烈度區(qū)高架獨(dú)柱車站每平米工程造價(jià)

各烈度區(qū)高架獨(dú)柱車站各部分工程造價(jià)組成見(jiàn)圖9～圖13。

圖9 6 度區(qū)高架獨(dú)柱車站工程造價(jià)組成

圖10 7 度區(qū)(0.10g)高架獨(dú)柱車站工程造價(jià)組成

圖11 7 度區(qū)(0.15g)高架獨(dú)柱車站工程造價(jià)組成

圖12 8 度區(qū)(0.20g)高架獨(dú)柱車站工程造價(jià)組成

圖13 8 度區(qū)(0.30g)高架獨(dú)柱車站工程造價(jià)組成

由圖9～圖13 可知,(1)各烈度區(qū)高架獨(dú)柱車站工程造價(jià)中占比最大部分均為上部結(jié)構(gòu)鋼材,但隨著設(shè)防烈度的增大,上部結(jié)構(gòu)鋼材造價(jià)所占比例在逐漸下降,但始終占總工程造價(jià)的50%以上。(2)設(shè)防烈度的提升使得上部結(jié)構(gòu)工程量增加,增大了結(jié)構(gòu)自重,這也使得下部結(jié)構(gòu)工程造價(jià)(下部承臺(tái)混凝土、下部承臺(tái)鋼筋、樁基鋼筋和灌注樁混凝土)所占比例逐漸增大,當(dāng)設(shè)防烈度從6 度提升至8 度(0.30g),下部結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)從19.1%提升至39.3%。(3)對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于6 度區(qū)和7 度區(qū)(0.10g),優(yōu)化高架獨(dú)柱車站上部結(jié)構(gòu)可顯著降低工程造價(jià),如減小鋼管混凝土柱截面尺寸和壁厚,合理布置鋼梁,防止鋼梁布置過(guò)密等。對(duì)于7 度區(qū)(0.15g)、8 度區(qū)(0.20g)和8 度區(qū)(0.30g),不僅需要優(yōu)化上部結(jié)構(gòu),還應(yīng)將下部結(jié)構(gòu)作為重點(diǎn)優(yōu)化對(duì)象,通過(guò)優(yōu)化承臺(tái)尺寸、樁長(zhǎng)和樁徑,達(dá)到進(jìn)一步降低工程造價(jià)的目的。

3 結(jié)論

通過(guò)結(jié)合實(shí)際工程制定高架獨(dú)柱車站標(biāo)準(zhǔn)站型,并利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件確定該類結(jié)構(gòu)在不同設(shè)防烈度下的主要結(jié)構(gòu)尺寸。通過(guò)統(tǒng)計(jì)各設(shè)防烈度下該類結(jié)構(gòu)的工程量,對(duì)影響該類結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析。此外,還對(duì)該結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)原則和抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

主要研究結(jié)果包括:高架獨(dú)柱車站上部工程和下部工程緊密聯(lián)系,隨著設(shè)防烈度的提升,上部工程和下部工程的工程量均逐漸增大,導(dǎo)致低烈度區(qū)和高烈度區(qū)該類工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差距較大;各設(shè)防烈度下,上部結(jié)構(gòu)的鋼材均占總工程造價(jià)的50%以上,故在對(duì)該類工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行控制時(shí),應(yīng)當(dāng)優(yōu)先對(duì)上部工程中的鋼-混凝土組合柱、鋼柱和鋼梁進(jìn)行優(yōu)化分析;在低烈度區(qū),可通過(guò)對(duì)上部工程進(jìn)行優(yōu)化,即可有效地控制工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo);在高烈度區(qū),不僅需要對(duì)上部工程進(jìn)行優(yōu)化,還需要優(yōu)化下部工程,兩者協(xié)同控制方可確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。