城市轨道交通鱼腹岛式高架车站结构设计

靳宗锐

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 250022)



城市轨道交通鱼腹岛式高架车站结构设计

靳宗锐

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 250022)

研究双柱鱼腹岛式高架车站框架结构体系的设计问题，阐述预应力钢束的张拉顺序、张拉批次对盖梁悬臂端位移的影响，为墩柱截面尺寸及悬臂盖梁的结构形式选择提供参考。对车站进行动力特性分析，证明双柱式高架车站结构整体刚度更加平衡。总结群桩基础在地震作用下的受力特性，验证了偏心受拉是桩基础配筋的控制工况。

城市轨道交通 高架车站 “桥-建”合一 双柱式 结构设计 动力分析 偏心受拉

1 工程概况

济南市轨道交通R1线工程线路全长26.1 km，其中玉符河站为第七个车站，位于玉符河北侧、刘长山路路中绿化带内，采用“桥-建”合一的结构体系，为高架三层鱼腹岛式车站。地下一层为电缆夹层、消防泵房和消防水池，地上一层为变电所，地上二层为站厅层和主要设备与管理用房，地上三层为站台层。车站不设附属用房，所有设备均放置在车站主体内部，站厅层通过两座人行天桥连接道路两侧的车站出入口。

车站结构全长131.1 m，最宽处约26.13 m，总高度为22.0 m，有效站台长度为120 m，站台宽为8～12 m。

2 结构布置及结构特点

2.1 车站横剖面布置

车站为路中高架站，双柱墩均位于刘长山路路中绿化带内，双柱共用承台，承台下为群桩基础，鱼腹岛式站台，钢结构屋架。主要承重构件为双柱接悬臂盖梁的框架结构体系，上部结构荷载通过站厅层4根柱子传递给悬臂盖梁，车站的横剖面布置见图1。车站不设单独轨道梁，利用站台层纵梁作为轨道梁，与横梁固结，纵横向形成空间框架结构体系。为降低车站的建筑高度，控制盖梁悬臂端的竖向位移，站厅层悬臂盖梁采用预应力混凝土结构。

图1 车站典型横剖面布置(单位：mm)

2.2 车站纵剖面布置

车站结构全长131.1 m，标准柱间跨距为11.0 m，纵向共12跨，在6轴、7轴之间设温度缝，缝宽100 mm，车站纵剖面见图2。车站范围墩柱间距布置为(5×11 m)+(8.35 m+9.65 m+5×11 m)，共两联，其中地下一层3～11轴为电缆夹层，11～14轴为消防水池与消防泵房；地上一层3～11轴为变电所；地上二层2～6轴为设备与管理用房，7～13轴为站厅层；地上三层为站台层。

图2 车站纵剖面布置(单位：mm)

2.3 车站结构特点

本车站采用“桥-建”合一的结构形式，为路中高架三层车站。本车站最为显著的特点是采用鱼腹岛式车站，车站外形为曲线，外立面采用清水混凝土，造型美观，且纵横梁固结为一体，形成空间框架结构体系。

“桥-建”合一形式的车站桥梁结构与建筑结构固结在一起，其受力条件比较复杂，设计工作涉及多个专业，工作量较大。根据《地铁设计规范》[1]第10.6.2条规定，“桥-建”组合结构体系的轨道梁及其支承结构应按现行铁路桥涵设计规范进行结构设计，其余构件应按现行建筑结构设计规范进行结构设计。

2.4 计算模型

采用midas Civil程序建立空间杆系模型进行计算分析[2]，其中纵横梁、墩柱均用梁单元模拟，站台层、站厅层楼板均用板单元模拟，利用节点弹性支撑模拟地基土对结构的作用[3]，将承台底的约束简化为一个6自由度的弹簧。计算模型如图3。

图3 车站整体计算模型

3 结构设计分析及变形控制

3.1 墩柱设计

超长连续框架结构体系的温度效应是控制墩柱设计的主要因素。为此，设计时需在构造和结构体系两个方面采取措施，减小附加温度力的影响[4]。首先，在车站6轴、7轴之间设置宽100 mm的温度缝，以减小连续结构的长度；其次，合理选择墩柱截面尺寸，控制墩柱刚度。

以车站第4榀框架为例，采用midas Civil软件对车站墩柱在不同截面尺寸下分别进行附加温度力的计算[5]，其计算结果如表1所示。

表1 墩柱底纵向附加温度力

分析表1的计算结果可知，减小车站墩柱顺桥向尺寸对降低温度力的影响有明显的作用，而墩柱横桥向尺寸的变化对温度力的影响较小。考虑到墩顶水平位移的控制及柱顶悬挑盖梁截面尺寸的选择，地面层墩柱的构造尺寸不能太小，本站墩柱截面尺寸选用1.4 m(顺桥向)×1.8 m(横桥向)。

3.2 站厅层盖梁设计

站厅层盖梁作为本车站最主要的受力构件，采用大悬臂式结构，悬臂长度为5 180～7 010 mm，除要满足结构强度安全系数外，对车站的美观性和行车舒适性也具有较大的影响。

利用midas Civil软件建模分析，对车站采用钢筋混凝土盖梁或者预应力混凝土盖梁进行方案比选[6]。以第4榀框架为例，盖梁计算结果如表2、表3所示。

表2 钢筋混凝土横梁

表3 预应力混凝土横梁

通过对比分析，在相同截面尺寸前提下，钢筋混凝土盖梁的裂缝宽度及悬臂端挠度值难以控制，对车站的整体结构安全和行车安全影响较大；在合理的配束下，采用预应力混凝土结构，结构的强度、抗裂安全性都能得到保证，且悬臂端的挠度值较小，有利于行车的安全性和舒适性。故站厅层悬臂盖梁选择采用预应力混凝土结构。

采用midas Civil计算软件对站厅层盖梁按全预应力构件进行建模分析，与施工工序相结合，优化预应力钢束的张拉顺序，以第4榀框架为例，预应力钢束布置大样如图4所示。

图4 盖梁钢束布置大样(单位：mm)

图5 各阶振形

车站上部结构通过站厅层立柱与盖梁固结传递荷载，盖梁悬臂端的竖向位移[7]将影响到整体结构的变形。为了更好地控制盖梁悬臂端的竖向位移，同时考虑到对施工工期的影响，结合车站梁板体系的变形特点和施工顺序，对站厅层悬臂盖梁的预应力钢束进行有序分批次张拉设计，可以很好地控制盖梁悬臂端的竖向位移。

3.3 结构的变形控制

根据拟定的截面尺寸计算时，应考虑轴间纵横梁、板的约束作用，采用midas Civil及PKPM软件对车站进行整体建模分析，对控制节点水平位移、竖向位移进行计算，其计算结果如下。

(1)最不利组合作用下站厅层盖梁悬臂端最大竖向挠度[f]=8.7 mm

(3)层间位移角：根据《建筑抗震设计规范》[8]，弹性层间位移角1/1 042<[θ]=1/550；弹塑性层间位移角1/449<[θ]=1/50。

整体建模分析计算结果表明，车站结构的挠度、位移均能满足国家现行规范的要求。

4 动力特性及地震反应分析

4.1 周期与振形

自振频率能够反映出车站结构整体刚度的大小，也能够反映出车站的动力特性。因此，要对车站进行动力特性分析，必须首先准确计算出结构的自振频率、自振周期，以及各阶频率、周期所对应的振形特征[9]。

有限元分析后得出的前6阶振形参数结果见表4，车站第1、2、4、6阶振形见图5。

以上分析结果表明，由于受到下部双柱式大悬臂结构的影响，车站前6阶振形分别表现为3阶横向挠曲振动，1阶扭转，2阶纵向挠曲振动。表明车站横桥向刚度稍弱于车站的抗扭刚度和纵桥向刚度。与独柱式高架车站相比，双柱式高架车站的整体刚度更加趋于平衡，稳定性更强。

表4 车站前6阶振形特征

4.2 地震反应分析

(1)E1地震分析

按《城市轨道交通结构抗震设计规范》[10]，当多分量地震作用时，各地震分量引起的地震反应按下式进行组合，对2种组合得出的结果应分别进行抗震验算

分析时地震力按纵、横向均采用30个振形进行计算，墩柱的内力结果见表5。

表5 E1作用下柱底内力

计算结果表明，地震力作用下，墩柱结构产生了较大地震反应，且内力值均大于静力计算结果，对下部结构的设计起到控制作用。

(2)E3地震下桩基础设计

根据《地铁设计规范》[1]第10.6.10条的要求，横梁、结点、基础应作为能力保护构件，按能力保护原则设计。

根据《城市桥梁抗震设计规范》[11]中规定，能力保护构件的计算，首先要判断出墩柱在E3地震时的弹塑性状态来进行下一步计算，若E3地震时墩柱出现塑性铰(等效屈服)，则采用墩柱的超强弯矩推算至桩基，若未进入等效屈服，则采用E3地震时的桩基内力对桩基进行计算。

以本车站为例，分析比较了在E3地震作用下桩基直径为1.2 m、1.5 m、1.8 m时桩基轴向力的变化，见表6。

表6 E3地震作用下桩基轴向力 kN

由以上计算结果可见：(1)在E3地震作用下桩基出现偏心受压和偏心受拉两种情况，引起较大的轴压力和轴拉力；(2)对比桩径1.2 m、1.5 m、1.8 m的计算结果，在桩间距均为3D的情况下，桩径越小轴拉力越大，桩径越大，轴向力拉力越小；(3)E3地震作用下的桩基轴拉力对桩基配筋起控制作用。

5 结束语

通过对济南市轨道交通R1工程路中高架车站结构的计算分析，对“桥-建”合一双柱岛式高架车站的结构设计提出几点建议：

(1)框架连续结构墩柱的顺桥向刚度对附加温度力效应有较大的影响，建议在强度、变形等满足规范要求的前提下，应尽量减小墩柱的顺桥向截面尺寸，以降低温度力对结构的影响。

(2)悬臂盖梁除满足裂缝、强度安全系数外，还需合理控制盖梁悬臂端的竖向位移和层间位移角，建议采用预应力混凝土结构，并对预应力的张拉批次、张拉顺序、张拉数量进行严格的设计。

(3)整体动力特性分析表明，与独柱式高架车站相比，双柱式高架车站的整体刚度更加趋于平衡，承载能力、稳定性更强，且由于柱间距的拉开，减小了盖梁的悬臂长度，对车站主要承重构件的设计非常有利。

(4)在地震作用下，高架车站群桩基础会出现偏心受压和偏心受拉两种工况，桩基承受非常大的轴压力和轴拉力，且偏心受拉工况对桩基配筋起到控制作用，建议结构设计时应选择较大直径的桩基作为群桩基础。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50157—2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014

[2] 戴公连，李德建.桥梁结构空间分析设计方法与应用[M].北京：人民交通出版社，2001

[3] 中华人民共和国铁道部.TB10002.5—2005铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

[4] 杨开屏，毛念华.城市轨道交通独柱墩高架站的墩柱及桩基设计探讨[J].城市轨道交通研究，2011(2):80-82

[5] 中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

[6] 中华人民共和国铁道部.TB10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

[7] 周宏慧.高架车站大悬臂独柱桥墩桥梁结构设计[J].现代城市轨道交通，2006(4):67-69

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部/中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010

[9] 赵亮.独柱式大悬臂高架车站的动力特性及地震反应分析[J].现代城市轨道交通，2005(2):26-29

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部/中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50909—2014城市轨道交通结构抗震设计规范[S].北京：中国计划出版社，2014

[11]中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ166—2011城市桥梁抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012

Structural Design of the Fishbelly Island Elevated Station on the Urban Mass Transit

JIN Zongrui

2016-10-11

靳宗锐(1983—)，男，2010年毕业于重庆交通大学桥梁工程专业，工学硕士，工程师。

1672-7479(2016)06-0098-04

U231+.4； U233

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