大悬臂盖梁独墩高架车站结构分析

何衍萍 罗 俊

大悬臂盖梁独墩高架车站结构分析

何衍萍 罗 俊

摘 要：重庆轨道交通2号线延伸线某“桥建合一”高架车站为大悬臂盖梁独墩高架车站结构，属于大型、重要结构。文章应用有限元MIDAS应用程序建立该车站的整体有限元模型，以不同的荷载组合进行结构构件验算，并计算分析了结构的温度荷载影响及结构自振特性。

关键词：高架车站；桥建合一；大悬臂盖梁；结构分析

何衍萍：中国土木工程集团有限公司，工程师，北京 100038

0　引言

城市轨道交通大悬臂盖梁独墩高架车站多采用“桥建合一”形式，该形式结构紧凑，较框架结构车站减少占地面积，将桥墩柱置于道路中央绿化带即可。本文以重庆轨道交通2号线延伸线某“桥建合一”车站为研究对象，进行结构设计研究。该站位于大渡口区，车站主体呈南北走向，北接金家湾站，南接白居寺站，车站属于地面3层高架车站，地面1层架空，2层包括站厅、设备管理用房等，3层为站台层，站台形式为侧式站台。站厅层支承于下层盖梁，站台层及站台板下夹层支承于上层盖梁。车站主要承重结构为独立柱墩，双层T型梁体系，盖梁的悬臂长度达10.6 m，为预应力混凝土变截面矩形梁，其上为适用于跨座式列车的轨道梁。墩柱截面为矩形2.2 m×2.8 m，间距布置为16 m+16 m+18 m+20 m+18 m+16 m+16 m=120 m，基础采用人工挖孔桩。车站建筑立面示意图见图1。

1　有限元模型建立

本车站结构应用全车站整体有限元分析的技术思想，运用大型有限元程序MIDAS所提供的前处理模块，建立全车站三维空间结构有限元分析计算模型。模型采用MIDAS软件现有的梁单元来建立，通过把各种单元类型组合起来，形成统一的全车站空间结构分析模型，然后再施加规范要求的设计荷载，按不同荷载工况进行结构计算分析。在进行全车站空间结构有限元计算中，还要考虑施工阶段的划分，按实际存在的施工顺序和加载时间进行施工阶段的划分，才能准确地根据施工中各阶段的挠度和内力，控制盖梁预应力钢束的分批张拉数量。车站空间结构分析有限元计算模型见图2，施工阶段见表1。

图1　车站立面示意图

2　荷载组合

有限元计算模型采用的荷载有恒载、民建活荷载、跨坐式单轨列车活载和体系温度荷载等。由于各种构件的使用目的不同，本文按相应的规范进行荷载组合。结构计算时仅仅考虑主力与一个方向(纵桥或横桥)的附加力组合，即，纵向、横向的计算分开进行，并分别考虑满载和偏载2种情况。根据不同的荷载组合，将材料基本容许应力和地基容许承载力乘以不同的提高系数。对于盖梁这种预应力混凝土结构中的强度计算，其容许应力还应采用不同的安全系数。

图2　全车站有限元计算模型

表1　车站施工阶段

3　构件验算

由于“桥建合一”高架车站结构是2种不同的受力体系结合在一起，没有现行统一的规范与标准可循，因此，在结构计算时必须对不同构件采用不同的规范进行计算分析。轨道梁必须满足铁路桥涵系列规范的要求，而搁置轨道梁的盖梁、墩柱、基础则必须同时满足民用建筑结构系列规范和铁路桥涵系列规范的双重要求，取不利者控制设计。其余构件仅需满足民用建筑结构系列规范要求，直接用PKPM应用软件进行校验即可。对于需符合铁路桥涵系列规范的构件则应按容许应力法进行设计检算。

3.1容许应力法基本假定

民用建筑结构和铁路桥涵属于2种不同规范体系，不仅在计算理论和计算方法上存在较大差异，而且在荷载取值上也有很大差异。铁路桥涵系列规范基于容许应力法，其计算的基本假定如下。

（1）平截面假定。认为所有与梁轴垂直的截面在梁受力弯曲以后仍保持平面。

（2）混凝土受拉区不参加工作，拉应力全部由钢筋承受。

（3）弹性体假定。受压区混凝土应力图形为三角形，即，应力和应变成正比。在该假定中，由于计算应力图形不同，各构件核心距的计算需要符合铁路桥涵系列规范，大小偏心受压类别的判别、混凝土应力和钢筋应力的计算等均应运用容许应力法进行。

3.2受弯构件强度检算

轨道梁和盖梁按容许应力法的受弯构件验算，本文仅给出车站1号墩柱的盖梁正截面强度验算结果，盖梁根部截面尺寸为3 m×2.2 m，混凝土等级为C50，预应力筋采用1 860级钢绞线。

截面最大容许弯矩[M]按公式（1）、（2）计算：

式（1）、（2）中，x为混凝土受压区高度；as为受压区钢筋至最近边距离；fc为混凝土抗压强度；σpa为预应力钢筋受压计算强度；fp为预应力钢筋抗拉设计强度；fs和fs分别为普通钢筋抗拉、抗压设计强度；b为矩形截面宽度；h0为截面有效高度；Ap和Ap分别为受拉区和受压区预应力钢筋截面面积；ap为预应力钢筋合力点至最近边距离；As和As分别为受拉区和受压区非预应力钢筋的截面面积。

由有限元模型计算得到盖梁正截面悬臂根部最大计算弯矩Mmax= 14.255 MN·m，按式（1）、（2）计算得到容许弯矩[M]=71.6 MN·m，最终计算得到安全系数K=[M]/Mmax= 71.6/14.255=5＞[K]=1.8，满足容许值要求。

3.3偏心受压构件强度检算

墩柱和桩基按容许应力法的偏心受压构件验算，本文仅给出车站1号墩柱的纵桥向正截面强度验算结果，墩柱尺寸为2.2 m×2.8 m，混凝土强度等级为C40，钢筋为HRB335。

对于大偏心受压构件的应力按公式（3）～（5）计算：

式（3）～（5）中，σcdmax为混凝土最大压应力；σsdmax为钢筋最大拉应力；σsdmax'为钢筋最大压应力；e0为轴向力作用点至截面重心；η为挠度对偏心距影响的增大系数；h为截面高度；n为钢筋弹性模量与混凝土变形模量比值；as为受拉区钢筋中心到构件边缘距离；其余同式（1）、（2）。

对于小偏心受压构件的应力按公式（6）、（7）计算：

式（6）、（7）中，M为考虑纵向弯曲的影响后计算截面的弯矩，其值为Nmax(ηe0+h/2-y2)；Nmax为最大轴向压力；σcxmax为混凝土最大压应力；σsxmax'为钢筋最大压应力；A0为全截面换算截面积；I0为换算截面惯性矩；y1为换算截面重心到受压边缘距离；y2为换算截面重心到受拉边缘距离；其余同式（1）～（5）。

在主力+附加力（主力指恒载和活载，附加力指温度荷载、风荷载和制动力等）作用下，由有限元模型计算得到最大轴向压力Nmax=11.461 MN，最大弯矩Mmax=15.5 MN·m，对应最大弯矩的轴向力N=10.668 MN，偏心距e=Mmax/N=1.453 m，经判断其为大偏心受压构件。按式（3）～（5）计算得到混凝土边缘压应力σcdmax=9.88 MPa＜[σb]=17.55 MPa，钢筋最大拉应力σsdmax=101.56 MPa ＜[σs]=230 MPa，钢筋最大压应力σsdmax'=70.44 MPa＜[σs]=230 MPa，计算结果满足容许值要求。

在主力作用下，由有限元模型计算得到最大轴向压力Nmax=11.074 MN，最大弯矩Mmax=1.614 MN·m，对应最大弯矩的轴向力N=11.074 MN，偏心距e＝Mmax/N=0.146 m，经判断其为小偏心受压构件。按式（6）、（7）计算得到混凝土最大压应力σcxmax=2.2 MPa＜[σb]=13.5 MPa，钢筋最大压应力σsxmax'=17.21 MPa＜[σs]=180 MPa，计算结果满足容许值要求。

3.4桥墩纵向线刚度检算

限制桥墩纵向线刚度可以控制简支轨道梁之间的位移。根据图2有限元模型，在1号墩柱顶施加1个纵桥向1 kN的单位力，此时产生的位移即为柔度δ，线刚度k=1/δ。经计算，1号墩柱由承台水平位移及转角引起墩顶位移v1=0.000 14 m，由墩身弯曲变形引起墩顶位移v2=0.003 m，墩顶处总位移v=v1+v2=0.003 14 m，即柔度δ=0.003 14，则墩柱线刚度k=1/0.003 14=318.5 > [k]=240，计算结果满足容许值要求。

表2　墩柱尺寸对各墩柱底纵向弯矩的影响 MN·m

4　温度荷载的影响

由于车站纵向是通长的梁板结构，纵向刚度很大，温度荷载作用下将使墩柱底部产生很大的弯矩。经计算，其值大致占主力和温度荷载组合作用下产生墩柱底弯矩的70% 以上。除了在施工阶段通过设置后浇带和施工过程调控等措施进行控制外，在设计阶段合理选定墩柱尺寸也是关键。墩柱截面大小的变化对温度力有着非常明显的影响，加大墩柱的截面面积能够提高墩柱本身的承载能力，但同时因为墩柱刚度的增加将导致墩柱中温度力的增加。本结构在温度荷载作用下墩柱尺寸对各墩柱底纵向弯矩影响的计算结果见表2。由表2可知，墩柱截面由2.0 m×2.6 m增加至2.2 m×2.8 m时，其墩柱底弯矩增加了约30%～40%。若假定轴力不变配筋量不变且均为大偏心受压，则由文献[3]计算得出由温度引起的1号墩柱混凝土边缘压应力增大了30%左右。实际设计中，该结构由于总体统一尺寸的要求，最终还是选择了2.2 m×2.8 m的墩柱尺寸。

5　结构自振特性分析

车站的自振频率在很大程度上反映出车站整体刚度的大小和车站的动力特性。对该车站结构有限元模型进行自振特性计算分析，得到该车站结构前6阶自振频率和振型，见表3、图3。由表3、图3可知，该车站结构的第1阶振型为墩柱侧弯，自振频率为1.272 Hz，先于扭转和纵弯出现，说明其横向刚度弱于其扭转刚度和整体纵向刚度，与设计思想相符。

表3　车站结构前6阶频率及振型

参考文献

[1] 何衍萍. 斜腹板箱梁铁路矮塔斜拉桥方案设计及其结构静动力计算分析[D]. 四川成都：西南交通大学，2009.

[2] 李茂生. 建桥一体化车站结构研究及其应用[D]. 上海：同济大学，2007.

[3] 黄棠，周其刚. 结构设计原理[M].北京：中国铁道出版社，1986.

[4] 周宏慧. 高架车站大悬臂独柱桥墩桥梁结构设计[J]. 现代城市轨道交通，2006（4）.

[5] 周永礼，杨静.“桥建合一”高架车站收缩、徐变及温度力影响的分析[J]. 铁路标准设计，2009（1）.

责任编辑 朱开明

图3　车站结构前6阶振型模态

Analysis of Elevated Station Structure with Large Cantilever Cover Beam and Single Abutment

He Yanping, Luo Jun

Abstract:The extension line on Chongqing transit line 2 takes a "bridge and building in one" elevated station with large cantilever cover beam and single abutment as its elevated station structure, and it is of a large and important building structure. The paper uses fi nite element method MIDAS application program to establish the whole fi nite element model of the station, makes calculation of structure members with different load combinations, and analyzes the structure temperature load effect and structure natural vibration characteristics.

Keywords:elevated station, bridge and building in one, large cantilever cover beam, structure analysis

收稿日期2014-12-14

中图分类号：TU248.1