“橋建合一”獨柱大懸臂高架車站設計要點研究

廖宇飚

(中鐵工程設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]?？缱絾诬壐呒芫€路一般沿城市主干道設置,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性被廣泛采用[2]。

目前,國內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合的方法,認為采用獨柱鋼-混凝土組合結構體系可有效減小構件尺寸,減小結構自重和地震作用[3];趙丹等基于工程實例,通過有限元計算分析的方法,對獨柱車站關鍵構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,分析該結構體系在罕遇地震作用下構件的塑性發(fā)展過程及塑性狀態(tài),并給出相應的設計加強建議[5];史振云等以越南河內城市軌道交通建設項目吉靈-河東線為例,探討該體系的結構特點和設計要點[6];楊開屏等基于工程實例,采用對比分析的方法,探討獨柱車站墩柱和基礎分別采用建筑相關規(guī)范和鐵路橋涵規(guī)范設計的異同[7]。

不難看出,該結構體系在順軌向為單榀框架結構,在橫軌向為上大下小的多榀獨柱懸臂結構,依靠順軌道梁和樓板連接,其側向剛度弱,抗震冗余度較低[8]。因此,若按常規(guī)結構“小震彈性”的思路進行抗震設計,結構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域的建筑、結構、橋梁等多個交叉專業(yè),對于該類型結構設計,缺乏統(tǒng)一的設計標準,不同的行業(yè)標準存在差異,結構設計時存在一定困難。

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構特點和若干重要設計要點進行研究,以期為類似工程的設計提供一些有益的思路。

2 若干設計要點的闡述和討論

2.1 結構體系的特點及材料的選擇

(1)結構典型布置特點

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”,其上是鋼結構屋蓋,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)結構體系的特點分析

獨柱大懸臂高架車站結構長寬比大,其順軌向和橫軌向剛度差異大,扭轉效應明顯。“上大下小、頭重腳輕”的高架形式和長懸臂導致其結構在水平、豎向地震作用下結構響應較大,結構橫軌向為靜定的獨柱懸臂結構,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,結構會在重力二階效應的影響下迅速倒塌。

(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,需通過增大構件尺寸來獲取安全系數(shù)儲備。當采用混凝土結構形式時,混凝土結構的承載力和延性不如鋼結構,構件截面較鋼結構大,構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—混組合結構兼具混凝土結構與鋼結構的優(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,可有效減小結構件尺寸,減輕結構自重,降低地震作用,提高抗震性能[9]。

表1 為某“T”形高架車站鋼-混組合結構與鋼筋混凝土結構主要構件尺寸對比。由表1 可知,順軌向柱距稍大。通過分析對比可以看出,鋼-混組合高架車站結構的重力荷載代表值為鋼筋混凝土結構的55.8%,可大幅減小地震響應;鋼-混凝土組合結構的柱墩截面積更小,僅為鋼筋混凝土柱的46%。盡管鋼管混凝土組合高架車站結構材料造價略高,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”形高架車站主要構件尺寸

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

2.2 設計標準和抗震設計方法

(1)設計標準的選擇

“橋建合一”的結構,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,應按國家鐵路相關標準進行荷載組合和結構設計[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規(guī)范進行設計,對于軌道梁、支承軌道梁的橫梁、支承橫梁的墩柱及基礎,應按國家鐵路相關標準進行包絡設計。

(2)抗震設計方法

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

獨柱大懸挑高架車站為特殊結構,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,應采用比小震彈性要求更高的抗震性能化設計?？紤]社會效益、構件重要性、經(jīng)濟因素,結合概念設計中“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節(jié)點弱構件”和“多道防線”的理念,整體結構和構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譜法進行計算,采用彈性時程分析法進行補充驗算,設防地震、罕遇地震可采用彈塑性時程分析法進行驗算。

2.3 基礎模擬方式的選取

民用建筑設計中,計算結構的地震反應時,一般將基礎頂面設為剛接,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構,設計地震作用基準面宜取在樁基礎的樁尖位置,可采用線性彈簧模擬樁側摩阻和樁端摩阻對樁的約束作用,考慮樁土相互作用。

目前,對高架獨柱結構基礎模擬已有相關研究。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,會使結構體系的自振周期延長、變形反應加大,且結構的自振周期及變形反應隨著基礎約束的減弱而增大;結構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約束剛度的減弱增加10%～20%;由于扭轉效應,基礎約束剛度的減弱對中部構件的內力影響較小,對邊部構件內力的增加影響較大[14-15]。

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

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構的懸臂梁有所差異。

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,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。在設計時,應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,懸臂蓋梁應按雙向受彎,受剪、受扭復合狀態(tài)進行計算。

圖2 罕遇地震下懸挑蓋梁彎矩

2.5 鋼屋蓋對整體結構的影響

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果。由表3 可知,由于鋼屋蓋較下部結構剛度小,故帶鋼屋蓋方案的橫軌向、順軌向、扭轉的1 階振型均包含上部鋼結構的反應,對應周期均較無鋼屋蓋的方案大,振型參與質量系數(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)設計過程中,從經(jīng)濟性和準確性角度出發(fā),應采取帶鋼屋蓋的整體模型進行設計。

表3 有、無鋼屋蓋模型整體計算結果

3 結語

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

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

(2)從結構的安全可靠出發(fā),計算模型中基礎的模擬宜考慮樁土相互作用的影響;應采用比小震彈性更高要求的抗震性能化設計。

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