双柱单跨桥建合一高架车站设计存在问题

林玉燕

（福州轨道交通设计院有限公司， 福州 350000）

由于与道路线路走向结合较好，且能较好满足建筑对空间的需求，位于道路中间的双柱单跨高架车站建设较多，但该类型结构设计较难；目前双柱单跨高架车站设计方法[1]为轨道梁、支承轨道梁的盖梁、支承盖梁的墩柱及柱下基础按现行铁路桥涵设计相关规范（以下简称“桥规”）执行，其他构件按建筑相关设计规范执行（以下简称“建规”）。现行的设计方法存在问题[2],桥规和建规两套规范体系目前并不协调，抗震设计路径不同。采用横向单跨模型或整体结构有限元模型对高架车站多遇、设计、罕遇地震作用[3][4][5]下的非线性时程分析进行构件的能力保护验算。本文结合某高架车站长118m，纵向柱跨12m，横向柱跨8.2m，车站高度23.5m（横剖面见图1）介绍“桥规”与“建规”的差异，介绍设计中存在的问题。

图1 典型双柱单跨高架车站横剖面图

1 桩基设计的差异

摩擦桩竖向承载力计算不同，桩基应进行罕遇地震作用下弹性验算。

《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB10093-2017（以下简称“铁基规”）与《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008（以下简称“建桩规”）桩基的设计方法不同，摩擦端承桩计算的差异较大。

“建桩规”采用极限承载力标准值计算， “铁基规”采用单桩容许承载力进行桩基承载力设计。铁基规中桩长越长摩擦桩端阻折减越多，桩端清渣程度越难，桩端阻力起作用越少；而建桩规中桩端承载力没有折减。如该车站桩长72m，桩径1.2m，同一勘察孔计算的桩承载力特征值/容许承载力的差异。建桩规计算的桩承载力特征值7900 kN（桩侧4928kN，桩端3000kN），铁基规计算的容许承载力6480kN（桩侧5870kN，桩端力610kN），可见两种规范计算桩承载力差异不小。

双柱单跨框架结构按《城市轨道交通设计规范》在地震作用下要考虑桩土共同作用，桩身有较大弯矩，能力保护原则要求桩罕遇地震作用下不屈服，建议桩基采用大直径桩，有利于提高桩基抗震能力。

2 抗震延性设计的差异

延性设计塑性铰位置不同，“强柱弱梁”和“强梁弱柱”的差异。《建筑抗震设计规范》第6.1.5 条甲、乙类建筑不应采用单跨框架结构，因单跨框架结构抗侧刚度小，结构超静定次数少，耗能能力弱，缺少多道设防线，汶川地震后，对于重要的建筑物，不允许采用单跨框架结构，而桥梁大量存在单柱墩和双柱墩，因而允许采用单跨结构；《地铁设计规范》中规定双柱单跨及单柱高架车站抗震按《铁路工程抗震设计规范》（以下简称“铁抗规”）规定执行，铁抗规抗震设计“小震不坏、中震可修、大震不倒”与建筑抗震设计相同，但实现的方式不同。桥梁采用能力设计法，即通过延性构件和能力保护构件（在结构设计中，把脆性构件以及不希望发生非弹性变形的构件，统称为能力保护构件）之间的强度安全等级差异，确保结构不发生脆性破坏模式。钢筋混凝土墩柱桥梁在抗震设计时，塑性铰的位置一般选择出现在墩柱上（便于观察及修复，如图2 所示），墩柱作为延性构件设计，可以发生塑性变形，耗散地震能量，桥梁基础、盖梁、梁体和节点宜作为能力保护构件，即强梁弱柱， “铁抗规”第7.1.2 条规定对墩身基础进行抗震验算，上部结构可不进行抗震强度和稳定性验算，但应采取抗震措施，这点与建筑结构抗震设计不同，建筑结构要求强柱弱梁，避免形成机动机构，如图3 所示。现行设计方法采用罕遇地震下塑性铰出现在墩柱上下端的破坏模式，建议墩柱根处采取芯柱[6]或柱根增大配筋等加强措施，避免在柱根处产生塑性铰，在柱上端产生塑性铰，增强结构抗倒塌能力。也可采用加斜撑、抗震墙[6]（通常影响建筑美观而不被采用）等加强措施。

图2 桥梁塑性铰区域（柱底和柱顶）

图3 建筑塑性铰区域（左梁端塑性铰，右柱塑性铰）

3 层间刚度均匀性

高架车站轨道层重量较为集中，形成头重脚轻的结构体系，桥梁规范无上下层刚度比、层间抗剪承载力力比值等要求，无薄弱层、软弱层相应加强的措施。设计时按建筑抗震规范调整各层刚度比和层间抗剪承载力达到建筑抗震设计规范的要求。

4 结论及建议

双柱单跨高架车站结构同时具有建筑结构和桥梁结构的特征，目前 “桥规”和“建规”不完全协调，两种规范摩擦桩桩基竖向承载力差异较大。

抗震设计塑性铰位置不同，“桥规”强梁弱柱，“建规”强柱弱梁，两者实现地震下延性及耗能方式不同，如何实现两者统一尚需进一步研究，现阶段塑性铰设计在墩柱上，建议墩柱底端增设芯柱等抗震措施，增强结构防倒塌能力；建筑结构计算软件较为成熟，操作方便，可采用性能设计，中震弹性或罕遇地震不屈服进行设计[6]，可满足结构抗震需求，而后采用“桥规”进行构件验算，简化设计方法。

结构各层刚度及质量分布宜不均匀，应按“建规”进行刚度比控制，避免上下层刚度相差过大，不利于抗震。