杭州东站线下工程结构设计

2012-11-27文功启

铁道标准设计 2012年11期

文功启

(中铁第四勘察设计院集团有限公司桥梁处，武汉 430063)

1 工程概况

近年来伴随着我国客运专线的发展，新型站房的设计理念发生了很大的变化。作为城市的综合交通枢纽，按照以人为本的宗旨，直上型高架站房成为了设计的首选。上海虹桥站、南京南站以及西安站采用了建桥合一的结构形式，此种结构与轨道层以上的建筑相呼应，整体性好，且能充分利用空间布局，视觉简洁通透，成为了近年来大型车站轨道层结构方案的首选。

杭州铁路枢纽是“四纵四横”客运网中沪昆快速客运通道和沪杭甬深沿海快速通道上的重要节点，同时也是长江三角洲城际铁路网上的省会车站之一，在杭州综合交通运输体系中有举足轻重的作用。站场范围内有宁杭甬场、沪杭长场、浙赣改3个车场，共15台30线(含正线)。车场之上设车站站房，车场下面设地下通道，通道下面为杭州地铁1号、4号线车站及部分区间。

杭州东站线路采用直线平坡设计，均为有砟轨道，采用60 kg/m钢轨;采用的设计活载除浙赣上、下绕行线采用“中－活载”外，其他如宁杭甬、沪杭长正线及各到发线均为铁路“ZK活载”，地震抗震烈度为6度，按7度设防;结构使用年限为100年。站址所处地层主要为粉土、粉砂、粉质黏土、细砂，下伏基岩为凝灰质砂岩［1］。

2 结构构造设计

2.1 柱网布置

基于杭州东站规模大，空间布局复杂的特点，在结构选型与布置上要充分考虑站房、线路以及地铁的影响，最终确定线下工程主体结构采用建桥合一的结构体系，即型钢混凝土(SRC)纵横梁格构结构。其中，宁杭(78线)、沪杭(1920线)及浙赣绕行(2829线)正线采用独立的梁式桥方案，以减少正线列车通过对结构动力性能的影响。

纵横梁格构体系顺线路方向跨度为(21.7+21.7+24.8+21.7+21.7)m，柱纵向中心跨度111.6 m，柱横向(C－Q柱)宽330.1 m。轴编号为数字11～16。到发线横向采用“大柱网”布置，即取消一般站台梁下立柱，横向跨度21.5～25.5 m，轴编号由字母C～Q组成。其中，C轴到D轴(基本站台处)的跨度25.5 m，P轴到浙赣绕行线跨度为26.5 m，浙赣绕行线到Q轴为20.05 m，其他均为21.5 m。沪杭正线处的柱网在27线附近考虑下地铁楼梯口的布置作了局部调整。在E、H、N轴处设置了出租车通道，考虑通道宽度对边柱位置进行了调整。图1给出宁杭正线到沪杭正线间的柱网布置情况(13轴与14轴对称)。

主横梁的布置间距与跨度对应，在每两主横梁KL1间布置3根次横梁KL2;纵梁ZL1位于到发线双间中心，与主立柱相连，每根ZL1边(一般相距4.8 m)布置2根次纵梁ZL2，保证列车靠停时结构受力的合理性。立柱、横梁及纵梁交叉连接，在型钢混凝土浇筑完成，与桥面板一起形成了空间格构体系，如图2所示。

2.2 立柱构造

立柱为三向压弯剪构件，为充分发挥立柱的承载力，到发线立柱采用了钢管混凝土组合构件。为了建筑的美观，除11与16轴的立柱采用方形柱外，12～15轴均采用圆形柱。与主纵、横梁连接的主立柱直径采用2.0 m。

在与纵横梁连接的上、下翼缘中心处对应各设置横隔板，板厚40 mm;在此2块横隔板之间设置12个竖向加劲肋，肋宽300 mm，环形布置。在通道面以上、梁底以下范围内设置2块厚36 mm的横隔板。柱脚深埋入承台，预埋深度4.2 m，并通过环向设置的4根牛腿保证柱与承台间共同受力。在承台一次浇筑线内设置预埋锚栓。柱脚设计要保证一定的预埋深度，锚栓及预埋底板的强度及稳定满足相关要求，且柱周边混凝土的抗压强度在设计容许范围内。

图2 部分结构横断面(单位:cm)

2.3 纵横梁构造

受通道净空≥6 m的影响，梁高要尽可能地小，除满足强度、疲劳的要求外，还要满足消防及结构耐久性等要求。综合考虑各种因素，纵、横梁选用了型钢混凝土组合构件。

以主纵梁为例，该型钢－混凝土构件纵向位于轨行区的正中间，梁高在梁端为3.0 m，通过2.0 m过渡段，梁高渐变为2.5 m，梁宽1.8 m。型钢翼缘板宽1.2 m，厚50 mm;腹板厚40 mm。梁外包混凝土上顶面与型钢上翼缘顶距离130 mm，下底面距下翼缘底120 mm，混凝土中主筋φ25 mm，双筋布置，在梁侧面按构造要求设置φ16 mm纵向架立筋;箍筋φ16 mm，在梁端加密区间距100 mm，其他间距100～120 mm，横断面如图3所示。

图3 主纵梁典型横断面(单位:mm)

为增强钢混结构共同受力，根据梁端水平剪力以及节点区负弯矩峰值的分布规律，在梁端4.5 m范围内翼缘钢板上布置了剪力钉，并满足栓钉布置范围不小于2倍柱高的构造要求。

2.4 梁柱节点构造［2］

受结构受力特点的影响，梁柱节点处有很大的双向负弯矩，疲劳问题突出，应力集中现象明显。梁柱节点特别是主立柱与主纵梁、主横梁的连接节点的设计构造是本结构关键点之一。

节点钢结构采用栓、焊连接的方式，即腹板采用高强螺栓连接，上、下翼缘采用焊接，此种构造的优点在于:(1)大大减少了现场焊接工作量，避开腹板较长的立焊缝，利于提高现场工效;(2)有利于型钢混凝土构件节点区上翼缘钢筋布置。在立柱上焊接外环板，板厚与纵、横梁翼缘板相对应;在两板环板之间设置竖向加劲板，板厚与纵、横梁腹板对应。整个节点钢结构部分在工厂加工，与立柱段整体加工并发送。

为保证节点受力的整体性，与型钢－混凝土梁相对应，环柱周边设置了混凝土外包，外包混凝土中设置2～3层环向钢筋网，钢筋网穿过型钢的腹板。梁体主钢筋在通过节点时，焊接在环向加强板上，板宽120 mm，厚50 mm，通过双面角焊缝与塞焊的形式与翼缘板可靠连接。

2.5 施工方法

在基础施工完成后，梁柱节点就位，泵送灌注钢管混凝土，然后拼装轨道层纵、横梁，支架立模现浇桥面型钢混凝土梁及桥面。由于桥面属超长大面积结构，每隔40 m左右设计1道后浇带，以减少温度荷载作用的内力。

3 结构计算

3.1 主体结构静力计算

目前国内针对新型“建桥合一”结构体系设计仍没有统一的规范与标准可遵循，一般要求“双控”，即同时满足建筑相关规范要求，也要满足铁路相关规范要求。

建桥合一结构的主要受力特点:(1)由于构件承受较大的铁路活载，大大增强了纵横梁计算的复杂程度，荷载工况多，钢结构尤其是节点处疲劳特征突出;(2)纵横梁体系表现出较强的空间效应，结构之间相互影响。在杭州东站线下工程中，轨道层与上部雨棚建筑相连，通道立柱与地铁结构相连，计算边界条件复杂;(3)结构体系连续，温度荷载的效应明显。在本设计中，立柱温度荷载引起的结构弯矩占总弯矩荷载的70%以上。

鉴于建桥合一结构的受力特点，利用有限元软件Midas建立空间有限元模型，将轨上建筑结构，线下结构及地铁、通道分别采用空间梁单元和空间板单元进行建模分析。桩－土相互作用采用群桩模拟进行，桩侧采用弹性边界，弹簧刚度采用“m”法计算，在桩底作刚性固定。

3.2 纵横梁检算

我国现行的型钢混凝土设计规程主要有《钢骨混凝土结构设计规程》(YB 9082—97)［1］和《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ 138—2001)［3-4］。文献［5-8］介绍了国内关于型钢混凝土计算现状。

由于杭州东站线下工程为“建桥合一”体系。为了保证结构安全合理，在本工程中，对不同规范进行了比较计算，最后确定采用铁路容许应力法对型钢混凝土纵、横梁进行承载力计算。文献［9］详细介绍了型钢混凝土容许应力法的推导，并编制了相应的计算程序，适应铁路荷载多工况的特点，对型钢、混凝土及钢筋作全面检算。结合以上分析，对纵、横梁型钢混凝土组合构件的计算结果见表1。

表1 型钢混凝土构件容许应力法检算结果

3.3 节点检算［10］

由于整体分析采用空间梁、板模型，其分析结果无法反映出局部受力状况，而框架结构的立柱节点设计考虑的因素多，受力条件复杂，因此采用板壳单元和实体单元建立节点局部结构的有限元模型进行细部分析，提取节点局部应力分析结果和杆件应力结果，为杆件的设计提供依据就显得十分重要。本次利用大型通用有限元软件ANSYS对杭州东站典型立柱节点进行非线性计算，根据圣维南原理和纵横梁刚架体系受力特点，计算了节点处钢筋、型钢，混凝土的应力。建立有限元模型如图4、图5所示。

图4 纵横梁混凝土、型钢骨架和钢筋模型

图5 立柱混凝土、钢管、加劲板和钢筋模型

计算结果表明:纵横梁混凝土最大压应力为20 MPa;纵横梁型钢骨架最大Von-Mises应力为154 MPa;纵横梁纵向受力钢筋最大轴向应力为114 MPa;立柱混凝土最大轴向压应力为13 MPa;立柱钢管最大Von-Mises应力为179 MPa;节点上下加强环板最大Von－Mises应力为113 MPa，节点设计合理，安全性可以得到保证。