承台、桩对站桥合建单排柱车站结构受力影响分析

王世敏

摘  要：文章以某城市站桥合建的单排柱车站结构为研究对象，通过建立车站带承台桩模型和无承台桩模型进行分析对比。研究表明考虑承台桩对上部结构的影响较大，结构设计时需要考虑两种计算模型不利状况。

关键词：站桥合建车站;单排柱;受力影响

Abstract： This paper takes the single-row column station structure of a city station bridge as the research object， through the establishment of the station cap pile model and non-cap pile model for analysis and comparison. The study shows that the pile cap has a great influence on the superstructure， and the disadvantages of the two calculation models need to be considered in the structural design.

引言

站桥合建的单排柱车站结构体系主要建在双向车道路中央绿化带内，在国内外均有应用。作为轨道交通车站，单排柱车站有自身的优点，也有不足之处。单排柱车站优点有占地面积小、施工时对道路交通和环境影响小、适合采用工厂制作现场组装的装配式结构、经济性好等;缺点也比较明显，由于底部采用单排柱，柱顶采用大悬挑盖梁支撑上部结构，因此造成结构自身安全冗余度不高。结构设计时除了需要满足现行建筑结构设计规范外，还需要对轨道梁、支承轨道梁的盖梁、支承盖梁的柱及基础按现行铁路桥涵设计规范进行结构验算。抗震设计除了进行多遇地震的设计外，还需要进行设防地震和罕遇地震的抗震性能化设计。多遇地震作用下，桩、承台、墩柱、盖梁和其余构件处于弹性状态;设防地震作用下，桩、承台、墩柱、盖梁处于弹性状态，其余构件正截面不屈服、斜截面弹性;罕遇地震作用下，桩、承台、墩柱、盖梁满足正截面不屈服、斜截面弹性，其余构件允许进入塑性控制整体结构变形。

1 工程概况

本工程为某城市站桥合建的单排柱车站结构，大致分为轨道层、站台层、雨棚结构层的三层框架结构。底部轨道层由6根矩形钢管混凝土墩柱，矩形钢管混凝土梁和钢箱梁组成的盖梁，连接盖梁的钢梁组成;站台层和雨棚采用钢结构。抗震设防烈度为8度;地震基本加速度0.2g;场地类别为Ⅱ类;设计地震分组为第二组;设防类别为乙类;安全等级为一级。

2 带承台桩模型和无承台桩模型建模计算

带承台桩模型和无承台桩模型上部结构完全一致，采用midas gen建模，由于本文只作对比分析，计算时采用建筑结构设计规范要求进行荷载组合与验算。带承台桩模型建模时把承台按照刚性板不考虑厚度建模，桩采用梁单元建模。带承台桩模型计算时需要考虑承台和桩周围土体的水平约束，根据《公路桥涵地基基础设计规范》附录P中按m法计算弹性桩水平位移及作用效应，计算出作用于承台四角及桩身的弹簧刚度，将承台四角、桩施加水平面两个方向的弹簧约束，本工程桩底部嵌入中风化花岗岩较深，桩底采用完全刚接约束。無承台桩模型墩柱底部建到与承台交界面，假定承台对墩柱各个方向完全固结，采用完全刚接约束。模型建好后，两个模型分别进行模态分析，多遇地震、设防地震、罕遇地震分析计算，提取出模态分析结果和不同地震状况下墩柱底部的最大轴力、绕X轴最大弯矩、绕Y轴向最大弯矩、水平方向最大剪力。压力为正，拉力为负;轴力、剪力单位kN，弯矩单位kN*m。

3 带承台桩模型和无承台桩模型计算结果及分析对比

3.1 模态分析对比

带承台桩模型的前六周期分别为0.53，0.45，0.43，0.25，0.23，0.22;无承台桩模型前六周期分别为0.49，0.42，0.41，0.21，0.20，0.19。两个模型前六阶振型基本一致，从两组数据可以看出，带承台桩模型的所对应的周期均比无承台桩模型大4%～21%不等，因此可以判定带承台桩模型的整体刚度小于无承台桩模型，但相差并不大。

3.2 多遇地震分析对比

两种不同模型在多遇地震状况下墩柱底部的最大轴力、绕X轴最大弯矩、绕Y轴最大弯矩、水平方向最大剪力如表1所示。

从表1中数据可以看出，在多遇地震作用下两种不同模型各个柱子底部受力差距如下：N最大时，最大轴力基本相同; Mx最大时， 最大值相差较大，带承台桩模型结果比无承台桩模型结果大30%左右;My最大时， My最大值相差较大，带承台桩模型结果比无承台桩模型结果大，1、6两个边柱大40%左右，其余中柱大48%左右;V最大值，Vx相差较大，带承台桩模型结果比无承台桩模型结果大，1、6两个边柱大40%左右，其余中柱大55%左右;Vy相差较大，带承台桩模型结果比无承台桩模型结果大，1、6两个边柱大50%左右，其余中柱大38%左右。

3.3 设防地震分析对比

两种不同模型在设防地震状况下墩柱底部的最大轴力、X向最大弯矩、Y向最大弯矩、水平方向最大剪力如表2所示。

从表2中数据可以看出，在设防地震作用下两种不同模型各个柱子底部受力差距如下：N最大时，带承台桩模型结果比无承台桩模型结果稍大，1、6两个边柱大5%左右，其余中柱基本一致; Mx最大时，Mx最大值相差较大，带承台桩模型结果比无承台桩模型结果大39%左右;My最大时， My最大值相差较大，带承台桩模型结果比无承台桩模型结果大，1、6两个边柱大44%，其余中柱大48%左右;最大剪力Vx相差较大，带承台桩模型结果比无承台桩模型结果大，1、6两个边柱大47%，其余中柱大57%;最大剪力Vy相差较大，带承台桩模型结果比无承台桩模型结果大，1、6边柱大55%左右，其余中柱大43%左右。

3.4 罕遇地震分析对比

两种不同模型在罕遇地震状况下墩柱底部的最大轴力、绕X轴最大弯矩、绕Y轴最大弯矩、水平方向最大剪力如表3所示。

从表3中数据可以看出，在罕遇地震作用下两种不同模型各个柱子底部受力差距如下：N最大时，带承台桩模型结果比无承台桩模型结果稍大，6柱大3%左右，其余柱基本一致;Mx最大时，Mx最大值相差较大，带承台桩模型结果比无承台桩模型结果大38%左右;My最大时，My值带承台桩模型结果比无承台桩模型结果大，1柱大46%，6柱大50%，其余中柱大48%左右;最大剪力Vx相差较大，带承台桩模型结果比无承台桩模型结果大，1柱大34%，6柱大50%，其余中柱大57%;最大剪力Vy相差较大，带承台桩模型结果比无承台桩模型结果大，1、6两个边柱大55%左右，其余中柱大43%左右。

4 结论

通过对站桥合建的单排柱车站结构带承台桩模型和无承台桩模型的对比分析，得出如下结论：

（1）带承台桩模型结构的整体刚度比无承台桩模型结构刚度小，但差别不是太大，模型中考虑承台桩时周期有较小影响。

（2）模型中考虑承台桩的作用时，多遇地震、设防地震、罕遇地震作用下，墩柱底部的最大轴力影响均较小，墩柱底部Mx、My、Vx、Vy影响均较大，设计时应考虑两种计算模型的不利状况。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范（2016年版）[S].

[2]城市轨道交通结构抗震设计规范[S].

[3]跨座式单轨交通设计规范[S].