哈大客运专线沈阳站站房结构设计与分析

蔡玉军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

哈大客运专线沈阳站站房结构设计与分析

蔡玉军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

哈大客运专线沈阳站主站房结构采用“建桥合一”的大跨预应力混凝土框架结构体系。针对“地下通道桩基与下部地铁盾构的相互影响”进行了专项论证;站台层列车正线处设置双柱与到发线分离,形成连续刚构桥,有效地减小高速列车通过对上部候车厅层舒适度的影响;商业夹层局部采用大跨钢桁架楼盖,对其竖向加速度对旅客舒适度的影响进行了分析,应用TMD减振技术有效地缓解了结构竖向加速度峰值。屋盖采用67.0m跨桁架拱结构,以实现结构与建筑完美结合。

铁路客站;建桥合一;地铁盾构;刚构桥;舒适度;TMD

1 工程概况

哈大客运专线沈阳站站房在既有站房的基础上进行改、扩建,地下一层为地下出站通道,上部结构分为站台层、候车层和商业夹层。新建主站房平面投影为T字形,翼缘长(平行于铁轨方向)175 m,腹部宽(平行于铁轨方向)103 m,腹部长(垂直于铁轨方向)约220 m;站房两侧为无站台柱雨棚。

地下出站通道位于站房中心,地面高程为-11.50 m,宽55 m(其中31.0 m为市政联系通道);站台层地面高程为±0.00 m,站台、进站广厅、售票厅、贵宾室设在该层;候车层楼面高程为9.00 m,设有候车厅和餐饮区;商业夹层楼面高程为17.00 m,由商业和设备用房组成;屋面分为普通混凝土屋面、钢结构拱形屋面及网架屋面。地下通道正下方设有地铁盾构区间,地铁盾构区间为左右双线,左右线的中心距由15 m到12 m缓和过渡,地铁盾构管片外径均为6.0 m,盾构区间走向为东高西底。站房施工期间,下方地铁已开通运营。

沈阳站效果见图1,站房横剖面示意见图2。

图1 沈阳站建筑效果图

图2 沈阳站横剖面示意(单位:mm)

2 主要技术标准

站台层桥梁结构的设计基准期与设计使用年限均为100年,而该建筑结构的设计基准期和设计使用年限为50年,作为“建桥合一”的大型旅客站房,根据铁道部的要求,站房结构耐久性按100年设计。为了提高站房结构的设计使用年限,在结构设计中采取以下标准:(1)基本风压和基本雪压均按100年一遇取值; (2)建筑结构的安全等级为一级,结构重要性系数为1.1;(3)钢筋混凝土结构设计中所采用的混凝土最低强度等级、配合比及相关参数、钢筋的保护层厚度均按耐久性100年确定;(4)沈阳市的抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,设计地震分组为第一组,地震动反应谱特征周期为0.35 s。主站房的抗震设防类别为重点设防类(乙类建筑),按设防烈度7度进行抗震计算,按设防烈度8度采取抗震措施。主站房钢筋混凝土框架结构的抗震等级为一级。

3 结构分析及计算

结构分析主要采用以下有限元软件:

(1)采用空间通用有限元软件SAP2000

V14.1建立站房整体模型,对结构进行整体计算,合理确定混凝土构件的截面尺寸和内力,并对钢结构构件进行设计;

(2)采用MIDAS建立整体模型,对SAP2000的计算结果进行复核;

(3)在PKPM程序中建立主体混凝土结构模型,等效模拟钢桁架、拱桁架构件。运用SATWE及PREC等软件进行混凝土构件的设计和预应力筋的设计;

(4)屋盖网架结构采用浙江大学编制的MST2008进行设计,同时采用SAP2000进行校核。

分析过程中,各软件模型的荷载取值、杆件截面、构件布置应保证统一,各构件的边界条件尽量相同。

4 荷载与作用取值

4.1 恒、活载

混凝土楼、屋盖恒载根据建筑面层做法进行计算,活荷载根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001) (2006年版)选取,对于设备用房的活载根据相关专业资料确定。

4.2 轨行区列车荷载[1- 3]

列车竖向静活载采用ZK活荷载,对客货共线的

区域采用“中-活载”,并按规范要求考虑动力系数。列车走行部分的横向摇摆力应取100 kN,作为集中荷载作用于最不利位置,以水平方向垂直线路中线作用于钢轨顶面;列车制动力或牵引力应按列车竖向静活载的10%计算;长钢轨伸缩力、挠曲力和断轨力等水平力均按照文献[1-3]及相关工程经验进行选取,并与其他各工况进行合理组合。

4.3 风荷载[4-5]

沈阳站基本风压为0.60 kN/m2(100年一遇),地面粗糙度类别为B类。由于站房体型复杂,建筑受风面的体型系数和风振系数(振风系数)已无法按《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)(2006年版)进行选取。因此,设计中风荷载值根据风洞试验报告进行取值,并按多风向角进行加载。

4.4 雪荷载

沈阳站基本雪压为0.55 kN/m2(100年一遇)。考虑东北地区融雪的影响,设计中按照沈阳市城乡建设委员会《关于加强轻钢结构建筑设计施工管理的通知》沈建发(2007)40号的规定,将屋面积雪分布系数提高1.5倍采用。

4.5 温度作用

沈阳市属于受季风影响的北温带半湿润大陆性气候,夏季最高气温达35℃以上,冬季最低气温达-26℃以下。全年平均气温在8.1℃左右,最热月平均温度22.3℃,最冷月平均温度-9.1℃,极端温差较大。设置伸缩缝后,结构仍为超长结构,温度效应仍起重要作用。因此,结构温差的合理取值对结构安全性和经济性起着控制作用,考虑到混凝土构件对温度的传导存在滞后效应,故对混凝土构件的温差取月平均最高和最低温度与合龙温度的差值[6]。本工程施工合龙温度要求控制在10～15℃,对主站房混凝土结构升温+12℃,降温-24℃;楼盖、屋盖钢结构升温25℃,降温-41℃。

4.6 底板浮力及侧墙土压力

沈阳站±0.000 m相当于绝对高程46.295 m,地下通道底板底高程31.795 m。勘察期间稳定地下水埋深为7.00～9.00 m(绝对高程36.00～38.00 m),底板抗浮设计水位为42.00 m[7]。据此,底板所受浮力按正常水位和百年抗浮水位分别取为62 kN/m2和102 kN/m2。沈阳站地下土层以中、粗砂,圆砾层为主,地下通道侧墙土压力按水土分算法进行计算。

4.7 荷载组合[7-8]

荷载组合时,计入了恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、温度作用、底板抗浮力、水平地震作用及竖向地震作用。底板浮力及侧墙土压按正常水位和百年抗浮水位分别按永久荷载和可变荷载考虑;温度作用分项系数取1.4,组合系数取0.7。按结构构件设计、验算的需要,荷载组合分别进行了基本组合、标淮组合、地震作用效应参与的基本组合和地震作用效应参与的标淮组合。

5 主站房结构设计

5.1 基础设计

主站房柱下基础均采用直径为1.0 m的钻孔灌注桩,并采用桩端、桩侧复合注浆技术,桩端持力层位于桩端持力层为(8)圆砾层,有效桩长不小于40 m,单桩承载力计算特征值不小于7 500 kN;为了平衡地下水对底板的浮力,基础梁下设置有直径为1.00 m、0.80 m的抗拔桩;为了减少注浆体对地铁盾构的影响,抗拔桩仅采用桩端注浆,有效桩长28.0 m。

由于上部结构为超长结构,温度作用效应导致柱下弯矩和剪力均有所增大,给基础设计带来较大的困难;特别是考虑施工过程中地下通道结构底板的温度效应时更是如此,因通常计算模型中将承台顶面作为竖向构件的嵌固端,导致柱底弯矩和剪力巨大。若按此反力进行桩基设计,会造成桩数众多,很不经济,也与实际情况不符。竖向构件在较大水平力和弯矩作用下,承台和桩将产生相应的水平位移和转动,即使是微小的位移和转动也会有效地释放温度作用产生的剪力和弯矩,一定程度上也可降低竖向荷载作用下竖向构件的柱底反力。因此,借鉴桥梁基础设计方法,考虑桩土共同作用,地下通道结构柱采用弹性嵌固约束,以模拟土体对承台和桩的弹性支承作用,更真实地反映实际受力情况。由于弹性嵌固约束的刚度受承台尺寸、桩数、桩距和桩位的影响,在满足弹性支座变形的要求下,需进行反复迭代验算[9-10]。

5.2 地下通道底板结构

地下通道为出站厅层,结构底板面的高程为-11.8 m,顺轨方向柱距为(12.0+31.0+12.0)m,其中31.0 m为市政联系通道,如图3所示。

图3 地铁盾构与地下通道的剖面关系(单位:mm)

地下通道底板抗浮设计水位为42.00 m,底板所受浮力102 kN/m2。由于受地下地铁盾构区间的影响,31.0 m跨基础梁底无法布置抗拔桩,因此底板抗浮设计中采用级配砂石作为配重平衡部分抗浮力,仅在地铁盾构环中心位置设置一排抗拔桩作为31.0 m跨抗浮梁的弹性支承。设计中地下通道底板与基础梁底平,以便配重的设置。同时,在整体建模计算过程中在底板下设置合理的面弹簧刚度,以分担底板自重及其上部配重荷载。弹簧刚度的取值根据地质报告中相关土层的技术参数确定,同时要求底板下地基承压力小于100 kPa,以防止地基承担过大的荷载和竖向压缩变形。

地铁盾构区间位于31.0 m通道正下方,桩基到盾构管片的最小水平距离为2.5 m(小于3.0 m的安全距离[11]),结构底板底到盾构管片的最小竖向距离仅3.0 m。为了保证施工过程中地铁的安全运行,设计中参考国内外类似工程经验提出了以下几点要求:(1)基坑开挖至设计高程以上0.5 m范围内的土体不得采用机械开挖,待铺垫层前再由人工挖至设计高程。一方面减少了机械施工对底板底土体的干扰,另一方面减轻对地铁运行的不利影响;(2)基坑降水须降至盾构环顶,对因承台二次开挖造成局部地段覆土不足时,应及时人工增加临时覆土;防止土体的开挖引起盾构管片的上浮或漏气;(3)施工距盾构管片距离小于3.0 m的基桩时,应采取跳钻方案。桩基施工时,应严格控制桩的定位及垂直度,以减小因施工误差引起的不利影响;(4)地下结构施工过程中应加强对围岩及隧道的观察,如发现异常,需根据实际情况改变施工方法或采取加固围岩等措施。

施工前,针对“沈阳站地下通道桩基与地铁盾构区间的相互影响”进行了专项论证,经专家组讨论确定方案可行,并一致通过。在沈阳站地下通道桩基的施工期间,下部地铁运营正常,未受任何影响。

5.3 站台层(轨道层)结构

站台层结构平面尺寸为55 m(平行于轨道方向,即南北向)×220 m(垂直于轨道方向,即东西向)。典型柱距为垂直于轨道方向:12、31 m;平行于轨道方向20.5、21.75 m。站台层结构采用钢筋混凝土柱+预应力钢筋混凝土梁结构。

轨道层正线处设置双柱将正线和到发线分离,在正线处形成连续刚构桥,以有效地减小高速列车通过对上部候车厅舒适度的影响;到发线部分结构与主体站房合建形成“建桥一体化”结构体系[1213],轨道层局部结构布置及剖面见图4。

图4 轨道层结构布置及剖面(局部)(单位:mm)

对于刚构桥部分采用桥规进行设计,“建桥一体化”部分综合考虑建、桥两种不同的规范,按照规范要求从严进行荷载取值及结果控制。

5.4 高架候车层结构

高架层为旅客候车厅层,平面尺寸为103 m(平行于轨道方向)×220 m(垂直于轨道方向),其典型柱距为垂直于轨道方向:18、31 m;平行于轨道方向20.5、21.75 m。

结构采用钢筋混凝土柱+预应力钢筋混凝土梁结构,结构布置见图5。为了降低温度效应对超长钢筋混凝土结构的不利影响,主站房垂直于轨道方向设置一道伸缩缝兼抗震缝。受建筑及轨道层结构布置的限制,设计中未采用双柱形式,而是采用框架梁一端简支于伸缩缝处框架柱牛腿,以满足温度作用下两侧结构的自由变形要求。

图5 高架候车层结构平面(局部)(单位:mm)

分缝后的高架候车层楼面结构单元长103 m(平行于铁轨方向),宽约135 m(垂直于铁轨方向),仍属于双向超长钢筋混凝土结构,设计中采取以下措施解决混凝土的收缩和温度应力问题:(1)纵、横两个方向的框架梁及大跨度次梁均为预应力梁,由于预应力梁中预应力的扩散作用,板中存在一定的预压应力,预压应力可有效减少及限制混凝土构件的裂缝;(2)沿纵、横两个方向每隔一定间距设置施工后浇带,并在混凝土构件中添加适量的混凝土微膨胀剂,以释放混凝土施工养护过程中产生的大部分收缩应力并克服子结构在施工过程中可能产生的收缩裂缝。后浇带间距通常为30～50 m,若按此间距设置,会导致很多预应力梁不能及时张拉,反而对结构的前期整体性产生不利影响,故设计中采用后浇带和膨胀加强带交替设置的方式,使大部分预应力梁及时张拉,只保留少部分预应力梁待后浇带混凝土强度达到设计要求后再张拉;(3)根据温度作用规律,结构在降温时,中间部位的板和梁会产生较大的轴拉力;不论是升温还是降温,结构两边的框架柱和框架梁会产生较大的内力。故设计时在现浇板板面均设置通长钢筋,梁中增设腰筋,适当加强中间部位板和梁的配筋以及两端框架梁、柱的配筋以抵抗温度作用产生的附加内力。

5.5 屋盖结构

站房屋盖采用桁架拱结构体系,较好地实现了结构和建筑的完美结合,如图6所示。桁架拱跨67 m,拱高23.2 m,拱顶高程47.2 m,拱脚通过销轴支座支承于两侧混凝土结构梁顶,每榀拱桁架截面为正方形,边长2.4 m,杆件截面为无缝圆管,最大截面为φ325 mm×12 mm。

图6 拱桁架及销轴拱脚(单位:mm)

根据理论和软件分析,沿拱跨方向结构对温度作用并不敏感,因此拱脚采用固定销轴铰支座,以平衡拱桁架产生的水平推力。由于拱桁架平面内刚度较弱,对不均匀荷载分布较为敏感,因此屋盖分别按积雪全跨均匀分布、不均匀分布以及半跨均匀分布的情况进行强度及稳定计算;同时,针对屋盖、站房以及站台雨棚的整体模型进行了风洞试验,对大跨屋面安全、合理的风荷载取值提供了依据,同时也为类似工程的受风特征提供参考。

6 结语

沈阳站站房主体结构采用大跨预应力混凝土结构体系,较好地满足建筑功能、空间以及造型的需求。同时在保证结构安全和满足建筑功能的前提下,力求结构设计的先进性和经济性。设计过程中针对工程特点和难点进行了分析:

(1)借鉴桥梁基础设计方法,考虑桩、土共同作用,地下通道框架柱采用弹性嵌固约束,更真实地反映实际受力情况,同时使得基础设计更经济、合理;

(2)针对地下通道基坑开挖及桩基对地下盾构区间的影响,通过及时配重、合理降水、实时观测等措施,保证了施工期间下方地铁的正常运营安全;

(3)通过正线处设置刚构桥,将正线和到发线分别设置于不同的结构层,有效地降低了正线列车高速通过时,列车振动对上部高架候车层旅客舒适度的影响;

(4)对超大结构平面,通过合理设置伸缩缝,有效地释放了温度作用,使结构受力简单、明确;通过交叉设置后浇带和加强带、增设板面钢筋和梁侧面腰筋,有效地控制施工过程中混凝土结构的收缩裂缝;

(5)对于大跨桁架拱,通过合理构造拱脚,使得结构受力明确、构造相对简单。针对屋盖主体结构及围护体系,通过风洞试验进一步确保结构安全和经济合理,为类似工程的受风特征提供参考。

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[15]游又能.桥建合一式高架车站在莞惠城际轨道交通中的应用研究[J].铁道标准设计,2012(8):121-125.

Structure Design and Analysis of Station Building of Shenyang Station on Harbin-Dalian Passenger Dedicated Line

CAI Yu-jun
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

Building-bridge integrated structure in large-span prestressed concrete frame structure system was used for the main station building of Shenyang Station on Harbin-Dalian Passenger Dedicated Line. And then expert evaluation was organized on"the interaction between the underground passage foundation piles and the metro shield tunneling".In this structure,double columns were erected at the station platform layer so that the main line of the trains could be separated from the receiving-departure line, forming a continuous rigid frame bridge,which could effectively reduce the influence on the upper waiting hall layer's comfort level caused by high-speed train's passing through.And,the large-span steel trussed floor system was used for part of the commerce interlayer,for which,the influence on passenger's comfort level caused by vertical acceleration was analyzed,and TMD vibration damping technology was adopted so as to relieve the crest value of the vertical acceleration.In addition,steel trussed arch structure with a span of 67.0 meters was used in the roof system so as to achieve the perfect combination between the structure system and the architecture system.

railway passenger station;integrated building-bridge integrated structure;metro shield; rigid frame bridge;comfort level;TMD

TU248.1

A

1004-2954(2013)03-0106-06

2012-07-07;

2012-08-30

蔡玉军(1980—),男,工程师,工学硕士,E-mail: caiyujun727@163.com。