成都轨道交通10号线高架车站主体结构设计

2018-01-27尧云涛

浙江建筑 2018年1期

关键词：设计规范高架振型

尧云涛，陈骥，杨奇

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122)

1 工程概况

成都轨道交通10号线二期工程线路全长约26.7 km,共设车站10座,其中5座为高架站。在这些高架车站中,有4座为布置在路中绿化带内的2层侧式高架车站,布置在道路中央10 m宽的绿化带内。

2 车站结构形式及特点

2.1 结构形式

车站位置的路中绿化带宽度达10 m,因此，可选用双柱框架墩作为车站的承重结构。车站典型横断面见图1。框架墩盖梁支承轨道梁、站台梁和车站顶棚荷载。车站总长140 m,纵向采用5跨28 m的简支结构。其第3跨下方设进站天桥，天桥与车站主体结构保持独立。轨道梁采用牛腿支承的方式,梁顶与盖梁顶面平齐。车站上下部结构之间采用支座连接,形成静定的受力体系,避免因支座沉降和温度变化而产生不利影响。

2.2 结构优点

1)便于设计

常规“桥-建”组合式高架车站存在结构体系较复杂、传力不够明确的缺点,其主要受力构件必须同时按照建筑规范和铁路桥梁规范进行包容性设计。相比之下，本车站属于桥梁结构，其主要受力构件可直接按桥梁规范进行设计。

2)便于施工

本线的区间标准梁采用的是整孔预制架设法施工,通过“梁上运梁”的方式实现预制梁的运输。若采用“桥-建”组合式高架车站,因其轨道梁为钢筋混凝土结构,须采用临时加固措施提高承载力方可满足运梁车过站要求。相比之下,本线车站的轨道梁为预应力混凝土结构,能直接满足运梁车过站要求。

3 抗震计算

3.1 主要技术标准

1)车站主体结构安全性等级为一级。

2)建筑抗震设防烈度为7 度(0.1 g),车站主体结构建筑抗震设防类别为乙类,抗震等级为二级。

3)地基基础设计等级为甲级；桩基础安全等级为一级。

4)按现行国家标准《地铁设计规范(GB 50157—2013)》和《铁路工程抗震设计规范(GB 50111—2006)》[1]的有关规定进行抗震设计,抗震设防类别应划为B 类。

图1 车站横断面

3.2 地质参数

选择中风化泥岩为桩基的桩端持力层,桩基范围的岩土类型和物理特性(变形模量E0，水平基床系数Kh,承载力标准值fk,极限侧阻力标准值qsk)如下：

1)构散卵石<2-5-1>,E0=18 MPa,Kh=22 MPa/m,fk=200 kPa,qsk=110 kPa;

2)稍密卵石<2-5-2>,E0=20 MPa,Kh=35 MPa/m,fk=350 kPa,qsk=125 kPa;

3)中密卵石<2-5-3>,E0=28 MPa,Kh=60 MPa/m,fk=550 kPa,qsk=145 kPa;

4)强风化泥岩<4-2>,Kh=100 MPa/m,fk=300 kPa,qsk=85 kPa;

5)中风化泥岩<4-3>,Kh=180 MPa/m,fk=1 000 kPa,qsk=180 kPa。

3.3 主要材料

3.3.1 混凝土强度等级

1)桩基础为C35；

2)承台、墩柱为C40;

3)轨道梁、站台梁和预应力盖梁为C50。

3.3.2 钢筋及钢材

1)普通钢筋主体结构中的楼板、次梁、构造柱的钢筋采用HRB400钢筋。车站框架柱主筋采用HRB400E 抗震钢筋。

2)钢构件车站钢结构屋盖和天桥钢箱梁的材质为Q345C钢。

3)预应力钢绞线框架墩盖梁的预应力钢筋采用低松弛高强度钢绞线,其抗拉设计强度fpk=1 860 MPa,弹性模量Ep=1.95×105MPa。

3.4 计算荷载

1)结构自重混凝土自重26 kN/m3；钢结构自重78.5 kN/ m3；装修恒载按实际情况计算。

轨道梁二期恒载系线路设备重(含承轨台、钢轨、扣件)21.0 kN/m/线。

2)人群荷载公共区站台和站厅、楼梯、车站管理人员用房等部位以4.0 kN/m3计。

3)混凝土收缩及徐变影响混凝土的收缩应变的徐变系数终极值按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62—2012)》规定办理。预应力梁二期恒载加载龄期不小于60 d,徐变龄期计算至3 600 d。

4)地震荷载本工程所处区域抗震设防烈度为7 度,设计基本地震加速度为0.10g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅲ类,特征周期Tg=0.45 s。

5)列车荷载列车编组为6 辆,每辆车长为19.52 m,定距12.6 m,固定轴距2.2 m,车辆最大轴重160 kN,列车设计时速100 km/h。

6)钢结构罩棚荷载竖向恒载节点力为255 kN,竖向活载节点力为55 kN,风荷载转化为节点水平力加在站房上。

3.5 计算模型

车站结构采用空间有限元程序Midas Civil 2015建立整体模型进行分析计算(考虑到车站结构的刚度和质量分布的影响,同时考虑相邻联对计算主体的影响),建模时横梁、立柱、桥墩、承台均采用空间梁单元来模拟。在承台底建立桩单元,施加土弹簧模拟群桩基础的刚度。土弹簧刚度考虑不同土层的m值进行计算,考虑2.5的动力放大系数。整体模型共计24 698个节点,25 793个单元。计算模型见图2。

图2 车站结构计算模型

车站构件的主要尺寸为：框架墩的墩柱厚2 m，宽1.6 m,墩柱中心距为7.4 m。盖梁高度为1.6～3.2 m,厚2.1 m,悬臂长6.925～10.725 m。轨道梁采用单箱双室预应力混凝土箱梁,梁高1.8 m,宽12.1 m。站台梁采用预应力混凝土肋板结构,梁高2 m。墩柱下方的承台尺寸为13.2 m×6 m×2 m,其下方设6根φ1.2 m的钻孔灌注桩。

3.6 抗震计算结果

3.6.1 结构动力特性

根据上述有限元模型,进行结构动力特性分析,其整体结构的动力特性见表1。通过结构特征值分析,考虑结构前60阶振型参与质量,x方向达到95.5%,y方向达到96.47%,满足规范要求。

表1 车站前10阶振型参数

对车站结构的自振特性进行分析,可以得到以下结论：

1)车站的前5阶振型均为整体纵向振动,其原因是上部结构与墩柱之间没有刚接,导致结构的整体纵向刚度较弱；

2)车站的第6阶振型为扭转振型,扭转周期比T6/T1=0.82<0.9,满足现行《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》[2]的要求;

3)车站的第7阶振型为整体横向振动,对应的自振频率大于1 Hz,说明结构的横向刚度较大。

3.6.2 罕遇地震验算

根据现行《铁路工程抗震设计规范(GB 50111—2006)》第7.1.4条的规定,结构抗震计算时应分别计算顺桥向和横桥向的水平地震作用。对于抗震设防烈度9度的悬臂结构和预应力混凝土刚构桥等,还应计入竖向地震作用的影响。本高架车站位于7度区,因此对于罕遇抗震分析,只考虑横向地震和纵向地震作用对结构引起的效应。车站结构整体比较规则,可以采用弹性反应谱方法或者弹塑性反应谱法进行罕遇地震作用抗震分析。

依据现行《城市轨道交通结构抗震设计规范(GB 50909—2014)》第7.2.2条的规定,可以采用M-φ曲线来判别结构是否进入塑性状态,如果结构最大弯矩小于等效屈服弯矩,说明结构仍处于弹性范围。罕遇地震作用下,采用弹性反应谱法计算得到控制截面内力和通过M-φ曲线计算得到的控制截面屈服弯矩见表2、表3。