地鐵高架車站結構設計論述范文

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《廣東土木與建筑雜志》2014年第七期

1設計策略

1.1規范的采用“橋建合一”車站具有鐵路與建筑結構的共同特點，由于兩類結構執行不同的標準，結構荷載取值、材料強度取值及計算方法均有較大的區別，從而結構安全度有較大的差別，總的來講鐵路規范較建筑規范的安全度高很多，如果全部車站按鐵路規范設計則會造成浪費，但如果車站全按建筑結構設計則不滿足鐵路規范會造成不安全，因而設計中對結構不同構件采用不同的規范。《鐵路橋涵設計基本規范》（簡稱《鐵規》）要求，車站高架結構中軌道梁、支承軌道梁的橫梁、支承橫梁的柱等構件及柱下基礎的設計，均按現行鐵路橋涵設計相關規范執行。設計中軌道層全部梁、站廳層轉換梁（圖2、3中截面帶“D”的梁）以及柱基礎均按《鐵規》執行。其他構件設計按建筑設計規范（簡稱《建規》）執行。

1.2主體結構形式車站主體為混凝土結構，考慮其作為常用的結構形式，耐腐蝕性適用性均較好，施工質量易于得到保障，結構整體剛度好，容易滿足機車作用下結構的變形和震動要求，2層轉換大梁截面1400×1800，支座截面高2400，該大梁承擔結構受力的轉換功能，而且車站位于道路中央，該梁下要留足行車的空間（深圳要求5.5m凈空），因此該梁設計為變截面形式，在視覺形態上也較好。1、2層采用型鋼混凝土柱，截面1000×1000和700×700，其緣由是該結構形式可減小柱截面并營造輕盈的建筑效果。

1.3基礎及屋面結構基礎采用鉆（沖）孔灌注樁，以中、微風化基巖作為持力層，承載力特征值5000kN，樁身配筋率0.8%，樁長22~40m，每柱下設計4根樁，共104根樁。采用樁基礎是出于兩方面的考慮，一是建筑場地地質條件一般，二是車站跨度大、載荷大。屋面為兩鉸拱鋼架，屬于輕鋼屋面結構，雙層壓型鋼板內置保溫材料，鋼架橫向間距7.75m，每獨立段內設3道屋面支撐和柱間支撐。

2結構計算

如前所述，針對不同的構件采用《鐵規》和《建規》的規范標準，自然要采用不同的計算軟件。

2.1《鐵規》標準計算鐵路規范采用的單一安全系數法，荷載取值、組合及材料取值見表1~3。

2.2按《鐵規》的構件計算方法設計中采用MidasCivil進行計算，選用軟件自帶的“鐵規”作為計算標準，并人工添加荷載組合。機車荷載簡圖如圖4。這里有幾點說明：①車輛荷載為A型車，8輛編組，滿載按P=160kN，空載按P=80kN考慮，并考慮移動荷載的影響線作用；②列車荷載動力系數1＋m，其中m按《鐵規》值的0.8倍取值；③列車縱向制動力、無縫線路縱向伸縮力、斷軌力及撓曲力，按文獻［4］相關規定采用；④列車橫向搖擺力按相鄰兩節車4個車軸軸重的15%計，以集中力形式作用于軌頂面處；⑤樁基礎持力層為中風化巖，考慮基礎豎向位移較小，柱下基礎位移按5mm考慮，沿柱縱向間隔布置；⑥橋墩汽車撞擊力按順橋向作用1000kN、橫橋向作用500kN考慮，作用點在路面以上1.2m高處；⑦地震設防為乙類，建筑場地土為Ⅱ類，設防烈度7度，按8度設防采取抗震構造措施，因2層大梁有一定的懸挑，設計中考慮地震的豎向作用；⑧溫度影響分為系統升降溫和結構內部溫差兩類，考慮到深圳月平均氣溫的特點，將系統升降溫取為20℃，由于結構上蓋屋蓋，不考慮結構內部溫差；⑨頂部鋼結構與下部混凝土結構分別計算，既簡單明了又滿足安全要求。機車移動荷載對結構設計影響最大，也是該處設計的重點，需要說明的是：當軌道梁與車站結構不整澆時，僅對軌道梁加載乘以動力系數的移動荷載，除豎向力外，依據不同的支座將一定比例的其他水平力分為主力、附加力、特殊荷載分別作用于車站結構上。當軌道梁與車站結構整澆時，需計入動力系數。本結構屬于后者。

2.3按《建規》計算的內容本部分采用“PKPM_SATWE”軟件計算，由于車站的非橋梁部分屬于建筑結構，SATWE在業內認可度較高，對于轉換結構和地震作用計算起來較方便。關于結構設計使用年限100年的考慮，筆者認為這應該體現在結構重要系數、荷載的取值以及混凝土的耐久性方面。基本荷載取值：基本風壓0.9kNm2，地面粗糙度B類，站臺板、站廳層人群荷載4.0kNm2，設備區活載8.0kNm2，樓梯活載3.5kNm2。對重型設備需根據設備實際重量、動力影響、安裝運輸途徑等確定其大小和范圍。機車移動荷載：按照等彎矩法輸入等效均布荷載，根據筆者的反復計算，機車等效均布荷載為每條軌道梁上25kNm，按活荷載考慮，且考慮兩側機車同時作用，兩種計算結果取大值作為設計配筋；這對于計算地震作用時的質點質量可能取大了，因為地震發生時機車同時在車站內的概率較小，且等效質量與等效彎矩算得的均布荷載也不同，筆者設計中取活荷載質量折減系數為0.5，也算對這部分因素的考慮。主要設計參數：結構重要系數g=1.1，建筑抗震設防為重點設防類，建筑場地土Ⅱ類，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度為0.1g，設計地震分組第1組，并按8度設防采取抗震構造措施，主體結構抗震等級為三級。

3重點問題處理

3.1結構的位移與剛度高架車站行走地鐵，考慮行車安全，必然對結構構件的變形和剛度要求較高，筆者之所以把這個問題單獨提出來，是因為設計者容易疏忽，造成安全隱患。⑴結構的豎向位移文獻［1］要求，梁式橋跨結構豎向撓度允許值為f≤L2000（L為梁跨且L≤30m）。筆者有3點理解：①規范提出的結構“梁式橋跨結構”也適應于“橋建合一”結構，因此本結構中與行車相關的構件均按此要求控制位移；②構件跨度是指一個開間內的跨度，如圖2中為15.5m；③結構撓度是指長期荷載作用考慮混凝土徐變和的變形，該值根據構件配筋率的不同變化范圍在2~6倍之間，應該看到這個要求比《建規》高很多，許多梁因此增大截面。⑵水平剛度要求文獻［1］對“無縫線路區間簡支梁”橋墩墩頂水平線剛度提出K≥2.4×104kNm的要求。筆者理解，文獻［1］雖然說的是“區間簡支梁”，但作為高架車站也應遵守，這個要求對于整體性較好的車站結構來說不難滿足要求。SATWE目前操作起來較困難，但Mi－das-Civil計算則較方便，方法是在2層各節點施加1kN力，結構水平變形的倒數就是結構剛度。⑶彈性水平變位限值文獻［1］要求，高架結構墩頂彈性位移需滿足：順橋方向△≤25mm，橫橋方向△≤20mm。結構的水平位移應是水平荷載作用才有意義，筆者認為取這個力為風荷載、列車搖擺力、制動力作用，可采用Midas-Civil計算。本結構△H=1813420=1745（H為道床板至基礎頂高度），該值比框架結構的位移限值略高，不難滿足要求。⑷橫向振動頻率要求文獻［1］要求，梁式橋跨結構的橫向自振頻率應小于90L=9015.5=5.8（L為縱向柱距），設計中采用MIDAS軟件驗算。

3.2抗震性能分析本結構為單跨框架結構，屬于《抗震規范》不應采用的結構形式，設計中專家評審時也提出了這一問題，因此進行結構的抗震性能分析是必要的。基于性能抗震設計量化了設計目標，在不增加太多造價的情況下提高結構的抗震性能。根據有關資料［7］并與超限審查專家組協商，確定采用表4的性能目標。根據分析結果，施工圖設計中采取了以下抗震加強措施：①取MIDAS和PKPM的不利計算結果進行結構構件設計；②考慮到上部輕鋼屋架對混凝土部分的影響，設計時增強豎向構件的配筋，增加豎向構件的橫向約束條件和構件剛度；③針對薄弱部位采取比規范更嚴格的配筋構造，增強結構在罕遇地震作用的抗震能力。

4結束語

“橋建合一”高架地鐵車站具有鐵路與建筑結構的雙重要求，文中通過工程實例介紹高架車站的不同形式及優缺點，需要考慮的問題、結構計算方法，以及剛度控制及抗震性能分析，對于同類結構具有一定的參考價值。

作者：趙立峰單位：深圳市市政設計研究院有限公司