城市轨道交通某桥建合一高架车站结构设计

刘习超

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063)

城市轨道交通某桥建合一高架车站结构设计

刘习超

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063)

随着城市轨道交通的高速发展，如何建造安全、经济、美观、舒适的“桥建合一”高架站房已逐步成为结构设计人员的一个重要研究方向。文章以厦门轨道交通工程1号线集美学村站高架站房结构分析和设计为例，主要介绍了“桥建合一”高架站PKPM和Midas civil结构模型、荷载取值、荷载工况、结构计算、构造措施等设计要点。

桥建合一；高架站房；荷载工况；结构计算

0 引言

桥建合一站房结构体系是指以钢筋混凝土框架结构作为高架车站的主要承重结构，纵向梁作为轨道梁，车站为三维框架结构，同时按照车站建筑要求布置梁、板、柱等结构构件，满足建筑结构及铁路桥涵相关规范的设计要求[1]。

桥建合一结构体系的优点有：①可根据建筑需求整齐地布置柱网，能够较好地满足车站使用功能要求，并体现车站建筑风格和整体造型；②车站结构合理，整体刚度好，易满足抗震等建筑结构设计相关规范要求；③采用现浇钢筋混凝土框架主体结构，可有效降低建筑高度。车站空间受轨道梁的影响较小，在展厅层的内部景观设计上易于处理[1]。

桥建合一结构体系的缺点有：①列车的钢轨直接铺设在纵向框架梁上，列车的牵引力、制动力、横向摇摆力和无缝线路轨道力及列车的冲击力和震动等，均直接作用在车站框架结构上，对整个车站结构都有一定的影响；②车站结构设计必须同时采用建规和铁规，要同时满足两套规范，设计难度较大；③车站对区间施工干扰较大，在考虑区间桥梁架设工法时，一般需统筹建设工期，车站后建或分步建设；④若考虑架桥机和预制梁通过车站，则车站主体结构构件要承受较大的荷载[1]。

本文拟以厦门地铁1号线集美学村站高架站房结构为例，探讨该类建筑工程结构设计要点。

1 工程概况

厦门地铁1号线集美学村站，如图1所示。为地上2层车站，局部地下1层。车站总长为147.5m，有效站台长度为117.942m，总建筑面积为7 422.414m2。车站标准段宽为35.3m，有效站台宽度为12.0m。主体结构为地上2层高架岛式车站，采用钢筋混凝土纯框架结构的建桥合一的结构型式，纵向主要柱距9.75m，横向主要柱距7.0m和6.6m。车站地面一层为站厅层，地上二层为站台层。

拟建场地位于抗震设防烈7度区，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组属第二组，建筑场地类别属Ⅱ类，建筑抗震设防类别：重点设防类(乙类)，场地特征周期为0.40s，抗震等级：二级。拟建场地地质条件较好。

图1 厦门地铁1号线集美学村站效果图

2 车站主要结构设计方法总结

2.1 结构模型

集美学村站桥建合一结构简图如图2所示。鉴于桥建合一车站结构设计必须同时满足建规和桥规两套规范，因而在集美学村桥建合一站房的结构设计中采用了两种软件建立的结构模型，一种为满足建规的PKPM模型，PKPM车站结构模型如图3所示。另一种为满足铁规的通用的空间有限元分析软件Midas Civil模型，Midas Civil车站模型如图4所示。

在PKPM结构模型中，将列车传递至轨道梁上面的动荷载等效于线荷载输入到纵向梁上后，采用极限状态法进行建筑结构方面相关分析计算。在Midas Civil结构模型中，可以直接输入列车荷载至纵向梁上，采用容许应力法进行铁规方面的相关分析计算。该车站总长147.5m，考虑到温度应力的影响，在两种模型中，均在车站长度方向设置2道分隔缝，模型被分为左、中、右3个部分。

图2 集美学村站桥建合一高架车站结构简图

图3 PKPM车站整体计算模型简图

图4 Midas Civil车站整体计算模型简图

(1)工程材料

框架梁、楼板、站台板、楼梯混凝土强度等级为C40，基桩、承台、基础梁、框架柱、地下室底板和侧墙混凝土强度等级为C45，二次浇捣的构造柱、预制门窗洞口过梁等混凝土强度均为C30。

(2)车站结构布置和基础选型

总高度为11.650m，纵向主要柱距9.750m，横向柱距7m和6.6m，2层钢筋混凝土框架结构，承轨层以下部分主要框架柱截面1200mm×800mm；纵向框架梁截面450mm×900mm和400mm×900mm；纵向承轨梁截面的尺寸为400mm×900mm，横向框架梁截800mm×1 200mm，轨行区板厚450mm。承轨层以上部分主要框架柱截面尺寸为450mm×600mm和600mm×600mm，框架梁主要截面尺寸为300mm×800mm和300mm×600mm。基础选用承台+直径800mm钻孔灌注桩。

2.2 设计荷载取值

对车站结构构件进行设计时，主要荷载如下：

(1)建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组：第二组，地基无液化，地震作用设防烈度按7度，设计基本地震加速度0.15g，计算模型中按0.15g；设计使用年限：100a。

(2)结构自重：钢筋混凝土容重取25kN/m3，钢材容重取78.5kN/m3，楼面装修层25kN/m3。

(3)列车荷载：按本线列车的最大轴重、轴距及近、远期中最长的列车(6节)编组确定。车辆型式采用国标B2型车，列车编组为6辆。车辆定距10.4m，固定轴距2.2m，车辆最大轴重14t，最小轴重8t，计算时最大、最小轴重可按每节车长任意排列组如图5所示。地铁车辆竖向荷载应按其实际轴重和排列计算，并考虑冲击力的影响，其冲击系数取1+μ，μ宜按现行《铁路桥涵设计基本规范》规定的值乘以0.8。PKPM模型中列车荷载的取值采用承载轨道梁弯矩等效原则计算，每列列车两条铁轨正下方的纵向承轨梁线荷载取为35kN/m。

图5 列车荷载布置图

(4)制动力或牵引力按列车竖向静活载的15%计算。但当与离心力或冲击力同时计算时，制动力或牵引力按列车竖向静活载的10%计算[2-3]。

(5)列车的横向摇摆力按相临两节车4个轴重的15%计，以集中力形式，作用于轨顶面处[2-3]。

(6)其余荷载标准值：基本雪压：0.0kN/m2(100年重现期)；基本风压：0.95kN/m2(100年重现期)[4]；人群荷载：4kN/m2；设备荷载：8kN/m2;整体道床铺装(含道床和铁轨)：16kN/m/线。

2.3 荷载工况

根据《地铁设计规范》(GB50157-2013)第10.3.1条，高架车站按其特性可能出现的荷载如表1所示，就其可能出现的最不利组合情况进行计算。

表1 高架结构荷载分类表[2]

进行荷载组合时，应遵循以下原则[2-3]：

(1)列车横向摇摆力不与离心力、风力组合；

(2)无缝铁路纵向力不与列车制动力或牵引力组合；

(3)仅考虑主力与一个方向的附加力进行组合。

该工程中PKPM模型和Midas civil模型采用相同的荷载组合。

(1)主力组合

结构自重+二期恒载+附加应力+混凝土收缩徐变+列车静活载+列车竖向动力作用+列车离心力+无缝铁路纵向水平力+人群荷载。

(2)主力+附加力组合1

结构自重+二期恒载+附加应力+混凝土收缩徐变+列车静活载+列车竖向动力作用+列车离心力+无缝铁路纵向水平力+人群荷载+温度影响力+横向风载。

(3)主力+附加力组合2

结构自重+二期恒载+附加应力+混凝土收缩徐变+列车静活载+列车竖向动力作用+无缝铁路纵向水平力+人群荷载+温度影响力+横向摇摆力。

(4)主力+附加力组合3

结构自重+二期恒载+附加应力+混凝土收缩徐变+列车静活载+列车竖向动力作用+列车离心力+无缝铁路纵向水平力+人群荷载+温度影响力+纵向风载+列车制动力或牵引力。

(5)主力+特殊力组合1

结构自重+二期恒载+附加应力+混凝土收缩徐变+列车静活载+列车竖向动力作用+列车离心力+无缝铁路纵向水平力+人群荷载+断轨力。

(6)主力+特殊力组合2

结构自重+二期恒载+附加应力+混凝土收缩徐变+列车静活载+列车竖向动力作用+列车离心力+无缝铁路纵向水平力+人群荷载+地震力。

2.4 结构计算及相关构造措施

(1)鉴于Midas Civil模型中能够比较准确的输入列车移动荷载，因而该工程中PKPM模型中承轨梁在输入线荷载后计算所得的内力包络值均应不小于Midas Civil模型中承轨梁的内力包络值。

(2)采用PKPM软件进行车站结构抗震验算，多遇地震作用下车站结构整体计算指标需满足《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)各项要求如表2所示[5]，同时根据构件包络内力按照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)[6]中的极限应力法进行构件配筋验算。

表2 PKPM结构模型主要计算指标

(3)采用Midas Civil有限元软件对车站结构进行计算分析时，采用《铁路工程抗震设计规范》(GB50111-2006)[7](2009年版)中抗震参数进行抗震验算，计算结构振型与周期以及构件的包络内力，同时根据包络内力按照《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范(TB10002.3-2005)[8]中的容许应力法进行构件配筋验算；车站Midas civil结构模型前3个振型图如图6～14所示，各振型周期如表3所示,Midas Civi结构模型计算的结构周期值与PKPM模型计算值相比偏小，前三周期相差12%～20%，主要是由于在Midas Civil模型中，将夹层、站台板、屋面钢框架都建入进去，结构整体刚度相比PKPM要大，最终导致周期较小。

表3 Midas Civil结构模型各振型周期

图6 车站左边部分模型1阶振型图

图7 车站左边部分模型2阶振型图

图8 车站左边部分模型3阶振型图

图9 车站中间部分模型1阶振型图

图9 车站中间部分模型1阶振型图

图10 车站中间部分模型2阶振型图

图11 车站中间部分模型3阶振型图

图12 车站右边部分模型1阶振型图

图13 车站右边部分模型2阶振型图

(4)车站框架梁、框架柱的配筋取①中采用极限应力法计算值和②中采用容许应力法计算的最大值，框架梁、框架柱配筋构造要求需同时满足建筑结构规范和铁路桥涵规范相关构造要求，诸如框架梁、柱纵向钢筋最小直径选用及锚固长度，最小配筋率，箍筋最小直径和加密区间距，体积配箍率等均应取两种设计方法的较大值。

(5)车站采用桩基础，根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5-2005)规定，钻孔灌注桩的设计桩径不宜小于800mm，桩主筋直径不宜小于16mm，主筋净距不宜小于120mm，主筋保护层厚度不应小于60mm，承台厚度不宜小于1.5m。

3 结构设计建议

(1)结构设计时，建议本文中2.3荷载工况全部考虑并施加到结构计算模型中，以保证车站结构的安全。

(2)根据《地铁设计规范》(GB50157-2013)中第10.2.1条，桥跨结构梁体(跨度L≤30m)在列车静活载作用下的竖向挠度不应大于L/2000[2]，在框架结构满足各项抗震指标的前提下，建议增大框架柱、框架梁、承轨梁刚度，增大轨行区板厚，直至承轨梁竖向挠度满足要求。

(3)鉴于列车的牵引力、制动力、横向摇摆力和无缝线路轨道力及列车的冲击力和震动等，均直接作用在车站框架结构上，对整个车站结构都有一定的影响，为保证车站整体稳定性，建议与轨行区相连接的框架柱柱下基础均采用3桩以上的承台，承台厚度≥1.5m，桩基直径≥800mm[9]。

4 结语

桥建合一高架站房虽然能够实现站房建筑与桥梁使用功能性的统一，但桥建合一高架站房的结构设计工作是一个工作量非常大并且非常复杂的过程，且结构类型繁多，本文仅介绍了钢筋混凝土纯框架结构的桥建合一高架站房结构设计的主要设计方法，但框架结构桥建合一高架站房在地震作用下动力弹塑性分析、在列车动力作用下的响应分析尚需进一步研究，使桥建合一高架站房的结构设计更加完善，给未来城市轨道交通中出现的钢筋混凝土框架结构“桥建合一”高架站房结构设计提供一定的参考价值。

[1] 朱丹.城市轨道交通工程概论[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2] GB50157-2013 地铁设计规范[S].

[3] TB10002.1-2005 铁路桥涵设计基本规范[S].

[4] GB50009-2012 建筑结构荷载规范[S].

[5] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].

[6] GB50010-2010(2015年版),混凝土结构设计规范[S].

[7] GB50111-2006(2009年版) 铁路工程抗震设计规范[S].

[8] 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].

[9] TB10002.5-2005 铁路桥涵地基和基础设计规范[S].

The Structural Design of an Elevated Station of the Combination of Bridge and Building in Urban Rail Transit

LIUXichao

(China Railway Si yuan Survey And Design Group Co.,Ltd, Wuhan 430063)

With the rapid development of urban rail transit, how to build a safe, economic, beautiful, comfortable elevated metro station which is the combination of bridge and building has gradually become an important research direction for the structure designer. In this paper, taking the structural analysis and design of Jimei School Village elevated station of Xiamen Metro Line 1project for example, design points of PKPM and Midas civil structural model, load values, load cases, structural calculation, structural measures of elevated metro station of combination of bridge and building were mainly introduced.

Combination of bridge and building; Elevated metro station; Load cases; Structural calculation

刘习超(1984.4- ),男，工程师。

E-mail:liuxichao08hit@126.com

2017-03-03

TU318

A

1004-6135(2017)07-0081-05