超長(zhǎng)高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析范文

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摘要：結(jié)合深圳市軌道交通6號(hào)線高架車站不設(shè)伸縮縫的要求，對(duì)某超長(zhǎng)高架車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。從選取溫度計(jì)算參數(shù)、調(diào)整墩柱剛度、設(shè)置后澆帶以及其他構(gòu)造等方面進(jìn)行影響分析，給出相應(yīng)建議措施，可為類似項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；高架車站；超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)；溫度效應(yīng)；構(gòu)造措施

引言

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，長(zhǎng)度超過(guò)一定范圍的框架結(jié)構(gòu)應(yīng)分段設(shè)置伸縮縫。設(shè)置伸縮縫目的是將框架結(jié)構(gòu)分割為較短的節(jié)段，以降低體積變化和溫度效應(yīng)等間接作用的影響，防止在結(jié)構(gòu)中引起較大的約束應(yīng)力和結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。然而在工程實(shí)踐中，伸縮縫兩側(cè)需獨(dú)立設(shè)置梁、柱，施工成本較高，且伸縮縫產(chǎn)品壽命偏短；伸縮縫裝置破壞后會(huì)造成結(jié)構(gòu)耐久性降低，同時(shí)伸縮縫漏水也是大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的通病，目前還沒(méi)有很完善的修復(fù)解決辦法；在后期運(yùn)營(yíng)階段要投入較大的人力和財(cái)力進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和維修，既增加了維護(hù)成本，又給建筑物的正常使用帶來(lái)干擾和安全隱患。因此，有必要對(duì)這類超長(zhǎng)混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究。近年工程實(shí)踐表明，超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在不設(shè)伸縮縫的情況下，采取有效措施，也可以避免裂縫的發(fā)生。

1工程概況

深圳市軌道交通6號(hào)線是國(guó)家發(fā)改委批復(fù)的《深圳市城市軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃（2010～2016）》線路之一，是沿深圳市中部發(fā)展軸敷設(shè)的軌道快線。一期工程線路始于深圳北站綜合交通樞紐，止于松崗站，全長(zhǎng)約37.6km，其中高架段長(zhǎng)約27.2km，全線共設(shè)車站20座，其中高架車站17座。目前全線土建工程已基本完工，計(jì)劃2020年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。該線某一高架站位于路中，車站采用島式站臺(tái)，結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)144m。結(jié)構(gòu)形式為橫向單跨的3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。地下層為設(shè)備夾層，地面層為系統(tǒng)及設(shè)備用房，地上2層為站廳層，地上3層為行車道層，行車道層上設(shè)站臺(tái)層，車站屋蓋采用輕鋼結(jié)構(gòu)，高架車站立面如圖1所示。

2結(jié)構(gòu)選型

在建的高架車站從結(jié)構(gòu)構(gòu)件的所屬關(guān)系上，主要分為“橋建分離”和“橋建合一”2種形式。（1）橋建分離。車站橋梁與車站房屋在結(jié)構(gòu)上完全脫開(kāi)，互不干擾。該形式的優(yōu)點(diǎn)是受力體系清晰，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按各自規(guī)范獨(dú)立進(jìn)行；缺點(diǎn)是車站建筑布局不便，占地體量大。（2）橋建合一。是橋梁和房建結(jié)構(gòu)的融合，車站主要受力構(gòu)件均為兩者共有，橋梁墩柱、蓋梁通過(guò)框架梁板形成空間整體結(jié)構(gòu)。該形式的優(yōu)點(diǎn)是整體性好，易于建筑布置；缺點(diǎn)是站房不可避免的會(huì)受到列車振動(dòng)影響，主要受力構(gòu)件需同時(shí)滿足橋梁和房建的設(shè)計(jì)規(guī)范等。本工程高架車站主要位于道路中間綠化帶內(nèi)，兩邊是車行道，車站墩柱占地9.5m寬。蓋梁懸挑跨度4.3m，車站采用島式站臺(tái)，站臺(tái)寬10m，線間距13.2m，若采用“橋建分離”形式，車站占地較多，對(duì)兩側(cè)道路交通影響大，也不利于建筑房間布置，因此對(duì)此類車站推薦采用“橋建合一”形式。

3車站不設(shè)縫方案研究

本高架車站在初步設(shè)計(jì)階段，按我國(guó)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，同時(shí)參照以往類似項(xiàng)目的做法，在車站中部設(shè)置1條寬10cm的伸縮縫，將車站分成72m長(zhǎng)的兩聯(lián)結(jié)構(gòu)。在初步設(shè)計(jì)專家評(píng)審階段，為了減少伸縮縫處的建筑防水處理和漏水發(fā)生，同時(shí)方便結(jié)構(gòu)找坡、減少各種管道跨縫處的特殊處理、降低造價(jià)且便于施工，專家組建議對(duì)高架車站主體不設(shè)伸縮縫的可行性及技術(shù)措施進(jìn)行研究論證。取消伸縮縫后車站主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為144m，對(duì)現(xiàn)澆式框架來(lái)說(shuō)，已遠(yuǎn)超規(guī)范要求。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，降溫和混凝土的收縮是引起超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的主要原因，也常是車站橋梁設(shè)計(jì)的控制性工況，應(yīng)通過(guò)有效分析和計(jì)算，慎重考慮各種不利因素對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和裂縫的影響。本高架車站采用Midas/Civil空間橋梁專用程序進(jìn)行靜力分析，設(shè)計(jì)中重點(diǎn)對(duì)溫度作用、墩柱剛度及后澆帶對(duì)超長(zhǎng)框架的影響做了研究，車站的有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

3.1溫度及收縮的影響

3.1.1季節(jié)溫差溫度作用包括混凝土結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)和混凝土的收縮效應(yīng)，其中溫度效應(yīng)包括均勻溫度（季節(jié)溫差）和溫度梯度。由于混凝土屬于熱惰性材料，并考慮結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境，如涂料、內(nèi)外裝修、保溫隔熱等的影響，短期內(nèi)的溫度梯度對(duì)結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生較大影響，溫差的取值主要由季節(jié)溫差控制。季節(jié)溫差以后澆帶澆注的月平均溫度為基準(zhǔn)，考慮升溫和降溫2種工況。深圳年基本氣溫為最低（Ts.min）8℃，最高（Ts.max）35℃。設(shè)計(jì)時(shí)往往不能準(zhǔn)確地確定后澆帶澆注工期，合攏溫度通常是一個(gè)區(qū)間值。深圳地區(qū)一月的平均溫度為（To.min）14.3℃，八月的平均溫度（To.max）為28.3℃，則可要求后澆帶澆注區(qū)間溫度值為14.3～28.3℃。結(jié)構(gòu)最大升溫溫差△Tt=Ts.max-To.min=35℃-14.3℃=20.7℃；結(jié)構(gòu)最大降溫溫差△Tt′=Ts.min-To.max=8℃-28.3℃=-20.3℃。

3.1.2混凝土收縮溫差混凝土早期水化熱、骨料下沉、水分蒸發(fā)導(dǎo)致混凝土收縮變形，將混凝土收縮變形換算成溫差，即混凝土的收縮當(dāng)量溫差。對(duì)于分段澆筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在施工期間已完成部分收縮，因此可考慮對(duì)混凝土收縮的影響在一定程度上折減。參考現(xiàn)行《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定：對(duì)于分段灌筑的混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可按降低溫度10℃計(jì)算。故總降溫溫差△T=-20.3℃+（-10℃）=-30.3℃

3.1.3應(yīng)力松弛溫差和收縮應(yīng)力都是在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的?；炷列熳儺a(chǎn)生的應(yīng)力松弛，可降低溫度效應(yīng)的彈性應(yīng)力。工程設(shè)計(jì)中考慮混凝土結(jié)構(gòu)徐變影響的方式通?？珊?jiǎn)化為按常規(guī)方法算出彈性應(yīng)力，再乘以松弛系數(shù)。溫度力若只按彈性階段進(jìn)行設(shè)計(jì)，富余太大。因此可考慮對(duì)溫差進(jìn)行相應(yīng)的折減，參考我國(guó)著名工程結(jié)構(gòu)裂縫控制專家王鐵夢(mèng)教授《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》一書，應(yīng)力松弛系數(shù)可取0.2～0.5。也可參考文獻(xiàn)[2]中考慮配筋率影響和徐變系數(shù)的應(yīng)力松弛系數(shù)計(jì)算公式：式（1）中，χ(t，t0)為混凝土老化系數(shù)，其平均值為0.82；φ(t，t0)為文獻(xiàn)[3]中的混凝土徐變系數(shù)。取加載時(shí)混凝土的齡期為7天，后澆帶合龍時(shí)間為混凝土澆筑后2個(gè)月，則后澆帶合龍時(shí)的徐變應(yīng)力松弛系數(shù)約為R(60，7)=0.445。本工程結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并考慮一定安全富余，最終取應(yīng)力松弛系數(shù)為0.75。綜上所述，溫度荷載確定為：升溫工況溫差T=0.75×20.7℃=15.5℃；降溫工況溫差T′=0.75×（-30.3℃）=-22.7℃。按此降溫溫差參與荷載組合，在“主力+溫度力”的工況下，車站邊墩墩底彎矩為5464kN•m，其中單一降溫工況引起的彎矩為2851kN•m，可見(jiàn)若只按彈性計(jì)算，容易導(dǎo)致邊墩的設(shè)計(jì)不能滿足規(guī)范的限值要求。

3.2墩柱剛度的影響

混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度并不是影響結(jié)構(gòu)溫度作用的唯一因素，外部約束和車站墩柱結(jié)構(gòu)的縱向剛度也對(duì)溫度作用下的內(nèi)力有較大影響，該影響在車站邊墩的內(nèi)力分析中尤為顯著。從計(jì)算分析可看出，車站墩柱剛度越大、約束越強(qiáng)，墩底彎矩也越大。選擇合適的墩柱截面可以較合理地調(diào)整其縱向剛度，改善結(jié)構(gòu)受力。本設(shè)計(jì)中經(jīng)過(guò)不同截面的計(jì)算比選，確定合理墩柱截面為1.5m×1.3m。車站墩柱的剛度還可以通過(guò)墩高來(lái)調(diào)節(jié)，在不調(diào)整線路標(biāo)高的情況下，增加車站墩柱的計(jì)算高度也比較有效。在設(shè)計(jì)中，把車站端部三跨的墩柱基頂標(biāo)高降低以減弱其縱向剛度，經(jīng)對(duì)比分析，最終采用的方案中，車站端部三跨的墩柱高度為11.5m，車站中部墩柱高度為9.0m。在不同墩高的計(jì)算對(duì)比中，端部墩柱高度由9.0m調(diào)整到11.5m后，邊墩墩底彎矩在“主力+溫度力”工況下，由5925kN•m降低到5464kN•m，內(nèi)力改善效果明顯。同時(shí)由于邊墩加高變?nèi)?，在降溫模式下，站廳層樓面墩柱對(duì)板的約束也降低了，板內(nèi)拉應(yīng)力也相應(yīng)有一定減小。但這里需要注意，調(diào)節(jié)橋墩剛度的分析，須在滿足上部各層剛度比和層間位移的前提下進(jìn)行。

3.3后澆帶的影響

在超長(zhǎng)框架結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，設(shè)置后澆帶也是解決溫度變化及混凝土收縮較有效的一種方法。在現(xiàn)行《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)分段灌注的混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生收縮效應(yīng)的等效溫度值偏小，也是基于此考慮。本設(shè)計(jì)中共設(shè)置了3條0.8m寬的后澆帶，將車站分割成長(zhǎng)度約35m的4個(gè)節(jié)段，通過(guò)對(duì)比車站按整體澆注與設(shè)置后澆帶分段澆筑時(shí)，邊墩墩底在“主力+溫度力”工況下的內(nèi)力值，可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)后澆帶能降低混凝土收縮引起的內(nèi)力值。整體澆筑時(shí)，邊墩墩底彎矩為6417kN•m，設(shè)置3道后澆帶后，邊墩墩底彎矩為5464kN•m，內(nèi)力改善效果明顯。但設(shè)置后澆帶只在施工過(guò)程中發(fā)揮作用，不能解決合龍后混凝土收縮及后期環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的內(nèi)力。因此，在超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中，為減輕溫度效應(yīng)的影響，還需配合其他構(gòu)造措施。

3.4構(gòu)造措施

除了墩柱和框架縱橫梁、各層梁板等主要受力鋼筋需考慮溫度作用下的荷載工況設(shè)計(jì)配置外，本設(shè)計(jì)中也考慮了其余配筋加強(qiáng)措施。如框架縱梁每側(cè)腰筋要分擔(dān)由降溫產(chǎn)生的軸力，故按計(jì)算加強(qiáng)腰筋配置，并按受拉鋼筋的要求進(jìn)行錨固，以適應(yīng)溫度作用的影響。又如各層樓板的配筋均采用雙層、雙向拉通布置的布筋方式，為加強(qiáng)和利用約束作用，配筋率均有所提高；在含鋼量不變時(shí)，采用直徑小、間距密的配筋，有利于減小裂縫的開(kāi)展，同時(shí)設(shè)計(jì)中也特別加強(qiáng)了構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施?？紤]到防止高架車站混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的重要性，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的入模溫度與混凝土配合比，必要時(shí)需在混凝土中摻入一定比例的優(yōu)質(zhì)粉煤灰和高效復(fù)合減水劑，并應(yīng)嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)。

4結(jié)語(yǔ)

針對(duì)本高架車站取消變形縫的要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，采用先進(jìn)的模擬軟件，對(duì)無(wú)伸縮縫鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行輔助驗(yàn)證。最終確定與本車站結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的構(gòu)件尺寸，并在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)構(gòu)造和施工措施。解決了超長(zhǎng)框架結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)帶來(lái)的設(shè)計(jì)困難，防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大內(nèi)力與變形，既確保承載力的極限狀態(tài)，又滿足使用極限狀態(tài)，較好實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

作者：楊林 董瀚潞 單位：中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司