“桥建合一”独柱大悬臂高架车站设计要点研究

廖宇飚

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

近年来,城市轨道交通进入快速发展的阶段,跨座式单轨以其灵活性、经济性和适用性等优势,已逐步成为二、三线城市的主要轨道交通制式[1]。跨座式单轨高架线路一般沿城市主干道设置,高架车站位于人流和交通密集区域,“桥建合一”独柱大悬臂高架车站由于其良好的景观性和道路的适应性被广泛采用[2]。

目前,国内众多学者对独柱大悬臂高架车站体系进行研究。聂建国等通过试验和计算分析相结合的方法,认为采用独柱钢-混凝土组合结构体系可有效减小构件尺寸,减小结构自重和地震作用[3];赵丹等基于工程实例,通过有限元计算分析的方法,对独柱车站关键构件的抗震性能进行研究[4];潘宁等基于工程实例,采用动力弹塑性非线性分析方法,分析该结构体系在罕遇地震作用下构件的塑性发展过程及塑性状态,并给出相应的设计加强建议[5];史振云等以越南河内城市轨道交通建设项目吉灵-河东线为例,探讨该体系的结构特点和设计要点[6];杨开屏等基于工程实例,采用对比分析的方法,探讨独柱车站墩柱和基础分别采用建筑相关规范和铁路桥涵规范设计的异同[7]。

不难看出,该结构体系在顺轨向为单榀框架结构,在横轨向为上大下小的多榀独柱悬臂结构,依靠顺轨道梁和楼板连接,其侧向刚度弱,抗震冗余度较低[8]。因此,若按常规结构“小震弹性”的思路进行抗震设计,结构的安全性会存在一定的隐患。另外,高架车站涉及铁路、城市轨道交通两个领域的建筑、结构、桥梁等多个交叉专业,对于该类型结构设计,缺乏统一的设计标准,不同的行业标准存在差异,结构设计时存在一定困难。

针对上述问题,以多个工程实例为背景,利用有限元软件进行计算对比分析,对“桥建合一”独柱大悬臂高架车站的结构特点和若干重要设计要点进行研究,以期为类似工程的设计提供一些有益的思路。

2 若干设计要点的阐述和讨论

2.1 结构体系的特点及材料的选择

(1)结构典型布置特点

独柱大悬臂高架车站一般位于道路中间,横断面呈“T”形或“干”形,首层为架空层,2 层为站厅层,3 层为“轨道层+站台层”,其上是钢结构屋盖,顺轨向柱距一般为13.5～16 m,横轨向悬挑长度一般为7～12 m,车站平面尺寸为(14～22) m×(60～80) m,典型的高架车站三维模型见图1。

图1 典型高架独柱大悬臂高架车站三维模型

(2)结构体系的特点分析

独柱大悬臂高架车站结构长宽比大,其顺轨向和横轨向刚度差异大,扭转效应明显。“上大下小、头重脚轻”的高架形式和长悬臂导致其结构在水平、竖向地震作用下结构响应较大,结构横轨向为静定的独柱悬臂结构,缺乏多道抗震防线,冗余度较差,在地震作用下,墩柱一旦发生破坏,结构会在重力二阶效应的影响下迅速倒塌。

(3)材料的选择

在大学阶段，宽松的环境使大学生被压抑的自我意识猛然反弹，容易陷入自负与自卑两种误区，自我认识片面单一，难以妥善处理自己与外部环境之间的关系。尤其是在缺乏真正有效的社会实践活动的情况下，由于很难切身体验职场的真实状态，因此，一旦直接面对社会的激烈竞争，就觉得自己学无所长，立身无本。

由于独柱大悬臂高架车站体系缺乏多道抗震防线,需通过增大构件尺寸来获取安全系数储备。当采用混凝土结构形式时,混凝土结构的承载力和延性不如钢结构,构件截面较钢结构大,构件截面和自重的增加反过来又会引起地震作用增大。因此,在高烈度地区,构件截面和地震作用之间会形成恶性循环,材料的利用效率不高。而钢—混组合结构兼具混凝土结构与钢结构的优势,通过钢管约束提高混凝土材料的承载能力与延性,通过混凝土的填充改善钢管的稳定问题,可有效减小结构件尺寸,减轻结构自重,降低地震作用,提高抗震性能[9]。

表1 为某“T”形高架车站钢-混组合结构与钢筋混凝土结构主要构件尺寸对比。由表1 可知,顺轨向柱距稍大。通过分析对比可以看出,钢-混组合高架车站结构的重力荷载代表值为钢筋混凝土结构的55.8%,可大幅减小地震响应;钢-混凝土组合结构的柱墩截面积更小,仅为钢筋混凝土柱的46%。尽管钢管混凝土组合高架车站结构材料造价略高,但其装配化程度高,施工免支模等优点可有效减少湿作业,大幅缩短施工周期,综合造价优异。

表1 某“T”形高架车站主要构件尺寸

综合以上的分析,在抗震设防烈度7 度(0.15g)以上的高烈度地区,采用钢-混组合结构可获得更优的性价比。

2.2 设计标准和抗震设计方法

(1)设计标准的选择

“桥建合一”的结构,对于直接承受列车动荷载的轨道梁、支承轨道梁的横梁、支承横梁的墩柱及基础,应按国家铁路相关标准进行荷载组合和结构设计[10]。

因此,对于“桥建合一”独柱大悬臂高架车站,可先整体按国家民用建筑相关规范进行设计,对于轨道梁、支承轨道梁的横梁、支承横梁的墩柱及基础,应按国家铁路相关标准进行包络设计。

(2)抗震设计方法

《建筑抗震设计规范》中提出所有房屋建筑均应达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标[11];《公路桥梁抗震设计细则》和《城市桥梁抗震设计规范》也引入能力保护设计原则来确保结构的抗震性能。目前在民用建筑设计中,对于常规建筑一般采用小震弹性设计思路[12-13]。

独柱大悬挑高架车站为特殊结构,在强震作用下,横轨向的抗倒塌能力很弱,鉴于高架车站在轨道交通中的重要性,应采用比小震弹性要求更高的抗震性能化设计。考虑社会效益、构件重要性、经济因素,结合概念设计中“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”和“多道防线”的理念,整体结构和构件的抗震性能目标见表2。

表2 抗震性能目标

由表2 可知,多遇地震可采用弹性分解反应谱法进行计算,采用弹性时程分析法进行补充验算,设防地震、罕遇地震可采用弹塑性时程分析法进行验算。

2.3 基础模拟方式的选取

民用建筑设计中,计算结构的地震反应时,一般将基础顶面设为刚接,必要时也可采用等效弹簧模拟的模型进行计算;而城市轨道交通规范规定,高架车站承受列车荷载的结构,设计地震作用基准面宜取在桩基础的桩尖位置,可采用线性弹簧模拟桩侧摩阻和桩端摩阻对桩的约束作用,考虑桩土相互作用。

目前,对高架独柱结构基础模拟已有相关研究。其中,有学者认为,在罕遇地震作用下,横轨向两种方案的基底剪力、层间位移和层间位移角基本一致;顺轨向考虑桩土作用模型的基底剪力为刚接模型的120%,最大层间位移和层间位移角为刚接模型的2倍,单个墩柱的内力和塑形损伤均大于刚接模型;也有学者认为,考虑桩土共同作用,会使结构体系的自振周期延长、变形反应加大,且结构的自振周期及变形反应随着基础约束的减弱而增大;结构横轨向两种方案的基底剪力比较接近,顺轨向的基底剪力随着基础约束刚度的减弱增加10%～20%;由于扭转效应,基础约束刚度的减弱对中部构件的内力影响较小,对边部构件内力的增加影响较大[14-15]。

当考虑桩土相互作用时,随着基础约束刚度的削弱,高架独柱结构的层间位移和基底剪力都有不同程度的增加,且边部构件的内力和变形增幅较大。从结构的安全可靠性出发,设计时宜考虑桩土相互作用,地震作用基准面取在桩基础的桩尖位置,土弹簧刚度可参考相关规范进行包络设计。

2.4 盖梁的次弯矩和扭矩

独柱高架车站站厅层大悬挑盖梁除了承受本层的荷载外,还承受上部轨道层、站台层、屋盖传递的竖向荷载;在顺轨向地震作用下,大悬挑盖梁与顺轨向框架梁、楼板共同承担传递顺轨向水平地震作用的功能,其受力特点与普通结构的悬臂梁有所差异。

图2 为某“T”形混凝土高架独柱车站,悬臂盖梁每侧悬挑8 m,在8 度罕遇地震作用下的弯矩见图2。由图2 可知,在顺轨向罕遇地震作用下,悬挑盖梁根部的次弯矩为12 704 kN·m,扭矩为18 937 kN·m,较横轨向地震作用下的主弯矩21 529 kN·m 略小。通过进一步分析可知,顺轨道框架梁的抗弯线刚度与悬挑盖梁根部的次弯矩和扭矩密切相关,增大顺轨道框架梁的抗弯刚度可有效减小悬挑盖梁根部的次弯矩和扭矩。在设计时,应适当提高顺轨向框架梁的截面,以减小悬挑盖梁的次弯矩和扭矩,悬臂盖梁应按双向受弯,受剪、受扭复合状态进行计算。

图2 罕遇地震下悬挑盖梁弯矩

2.5 钢屋盖对整体结构的影响

在方案研究阶段,由于屋盖形式的不确定性,往往采取估算钢屋盖荷载的方式,并将其加在站台节点的简化方式进行计算分析,屋盖模型见图3。

图3 “T”形有、无钢屋盖模型

表3 为某“T”形组合高架车站的两种方案的整体计算结果。由表3 可知,由于钢屋盖较下部结构刚度小,故带钢屋盖方案的横轨向、顺轨向、扭转的1 阶振型均包含上部钢结构的反应,对应周期均较无钢屋盖的方案大,振型参与质量系数小;在地震作用下,不带钢屋盖方案的基底剪力较带钢屋盖方案明显增大,其中,横轨向增大58%,顺轨向增大21%,两种方案的横轨向、顺轨向、扭转的1 阶振型和基底剪力有显著的差异。综上所述,方案研究阶段,采用不带钢屋盖方案进行试算安全可行;在后续设计过程中,从经济性和准确性角度出发,应采取带钢屋盖的整体模型进行设计。

表3 有、无钢屋盖模型整体计算结果

3 结语

针对“桥建合一”独柱大悬臂高架车站这种特殊复杂的结构体系,通过调查研究、算例计算对比分析等手段,对其体系特点和若干设计要点进行研究,对某些规程尚未明确规定的问题,也尽量给出设计建议,主要结论如下。

(1)在抗震设防烈度7 度(0.15g)以上的高烈度地区,采用钢-混凝土组合结构可获得更优的性价比。

(2)从结构的安全可靠出发,计算模型中基础的模拟宜考虑桩土相互作用的影响;应采用比小震弹性更高要求的抗震性能化设计。

(3)钢屋盖对整体计算结果有较大的影响,悬挑盖梁根部的次弯矩和扭矩的影响不容忽视。