无锡地铁1号线路中高架车站结构设计

刘海鑫 李园园

无锡地铁1号线路中高架车站结构设计

刘海鑫 李园园

文章以无锡地铁1号线路中高架车站为例，对比分析了独柱双悬臂和双柱双悬臂结构型式的抗震性能和受力特点，介绍了“桥-建结合”车站的结构选型、荷载确定、结构分析和设计，阐述了路中“桥-建结合”高架车站结构设计的要点和经验。

地铁；高架车站；桥-建结合；结构设计

1 工程概况

无锡地铁1号线为南北向交通主干线，线路北起惠山新城堰桥站，南至太湖新城雪浪站，全长29.42 km，其中高架段长7.25 km，共设车站24座，高架车站5座。堰桥站位于惠山大道路中央绿化分隔带中，根据总体布置堰桥站为路中3层侧式车站，车站总长 120 m。车站顶层为站台层，供列车通行和乘客候车，2层为站厅层，供旅客购票进站并兼作过街通道功能，底层悬挑部分下面是地面道路，落地区为车站设备用房。地下设电缆夹层，供通信、供电等电缆敷设。

2 高架车站结构方案比选

2.1 高架车站结构基本型式

从结构受力来看，高架车站既不是单一的房建结构，也不是单一的桥梁结构，而是一种桥梁和房建相结合的结构体系。在结构选型时根据框架横梁与轨道梁的结合情况可将车站结构分为“桥-建分离”（区间桥梁与车站站房完全分开）和“桥-建结合”（轨道梁支撑于房屋结构的横梁上）两大类。

（1）“桥-建分离”车站。高架桥梁与车站站房二者在结构上完全分开。此类车站结构受力明确、结构构造简单、行车对车站用房的振动小，但站厅层存在截面较大的桥墩，带来建筑平面布局不灵活、车站内设缝较多、施工协调困难。

（2）“桥-建结合”车站。轨道梁支撑于房屋结构的横梁上，结合部设橡胶支座。该种车站结构墩柱根数少、建筑平面布局灵活、结构整体性好，但独立设置的轨道梁会使建筑高度增加，结构计算较复杂。

2.2 车站结构方案比选

本车站为路中车站，线路位置和周边建设条件决定了车站的基本特征：一是车站设置于城市道路中分带，地面层需架空外挑，二是区间桥梁线间距难以扩大。结合车站布置型式、结构受力合理性等因素，综合考虑本车站采用“桥-建结合”侧式站台结构型式。

根据GB50157-2003《地铁设计规范》的规定：垂直线路方向落地柱的布设应结合路面道路交通等要求，采用双柱或三柱型式，困难地段，也可采用独柱型式。考虑到本工程道路中分带宽仅为8 m，所以分别对“桥-建结合”型式下的“独柱双悬臂”和“双柱双悬臂”结构方案建立三维空间有限元模型（图1），对其受力情况和动力性能进行对比分析。由于车站多为空间框架结构，所以分析采用PKPM系列中的SATWE三维空间分析程序。分析中，车站按伸缩缝位置取独立的结构单位进行分析，对结构楼面开孔、楼梯及站台雨棚等附属结构作了必要简化。分析结果表明：

（1）“独柱双悬臂”方案，抗侧刚度差，第2阶振型就表现为扭转，横向缺少赘余度和多道抗震防线，结构抗震极为不利。横向框架梁挠度超出规范限值，需采用特殊技术措施，施工复杂材料用量大，造价较高；

图1 “桥-建结合”结构有限元模型

（2）“双柱双悬臂”方案，抗侧刚度得到明显增强，前2阶振型均为平动，抗震性能有效改善。普通钢筋混凝土结构施工方便，材料用量减少，造价适中。

对上述“独柱双悬臂”和“双柱双悬臂”2种方案，从结构经济性、施工难度、结构体系、抗震性能等多方面进行综合比较（表1、2），最终确定选用“双柱双悬臂”方案。

表1 “桥-建结合”结构静力性能和材料用量比较表

表2 “桥-建结合”结构动力性能比较表

3 车站结构总体设计和荷载确定

3.1 车站结构总体设计

车站结构总体布置应满足车站的功能和使用要求。车站结构方案采用“桥-建结合”双柱双悬臂3层框架结构型式，结构框架横向跨度5.6 m，两侧各悬挑7 m，纵向采用12 m柱距布置，车站总长120 m。车站总长超出GB50010-2011《混凝土结构设计规范》关于现浇式钢筋混凝土框架结构伸缩缝最大间距的要求，为此，参照规范规定并结合空间分析结果，在车站中部设置1处伸缩缝，将车站分成2个60 m长的对称结构单元，结构单元横截面图见图2。

图2 车站总体布置图 （单位：mm）

总体设计过程中基本构件截面的大小不仅关系到工程量和投资规模，也影响到车站整体结构的内力分配和抗震性能。本工程在满足功能要求的情况下，参考类似工程经验，经试算比较后拟定基本构件截面如下：

（1）站厅层。悬挑框架横梁截面尺寸1 m×1.8 m，框架纵梁截面尺寸1 m×1.5 m，楼面板厚取150 mm；

（2）轨道梁层。框架纵横梁和板厚同站厅层，考虑支撑站台层柱子的插筋问题，对应框架处取500 mm宽；

（3）站台层。站台层跨度不大，悬挑长度也较小，横向梁按常规截面取250 mm×550 mm，纵向梁截面取250 mm×500 mm，楼面板厚取150 mm；

（4）基础和柱。考虑到拟建站房的土质条件和地下水情况，选用桩径1.2 m的钻孔灌注桩。为保证结构刚度，柱子截面取1.4 m×1.4 m，变形缝处边柱取1.2 m×1.4 m。站台层柱子按6 m间距布设，截面取400 mm×400 mm。

3.2 荷载确定和工况组合

根据结构受力分析，综合各种可能对“桥-建结合”车站结构产生内力的荷载，将荷载分为建筑荷载规范规定的荷载：恒载、活载、风载、雪载、地震作用等；铁路桥梁规范规定的荷载：主力、附加力、特殊荷载等。

4 车站结构计算和施工图设计

4.1 车站结构计算

“桥-建结合”的高架车站目前还没有专门的结构分析软件，为此，本文根据总体设计确定的构件尺寸和材料，在车站结构计算中仍采用车站结构方案比选中的结构有限元模型并采用建筑结构通用的SATWE程序。但，由于车站结构与常规建筑结构有所不同，结构荷载工况和受力变形均较为复杂，其对于直接或间接承受列车荷载的构件SATWE软件并不能完全适用，因此，对车站结构构件按铁路相关设计规范借助通用有限元软件Midas/Civil进行计算和校核。

有限元模型中考虑楼面开孔、楼电梯、设备夹层、站台雨棚等附属结构，构件采用空间杆系和墙单元。对于常规结构采用刚性楼板假定，即楼板平面内刚度无限大，平面外刚度为0。计算过程中周期折减系数、抗震等级、小塔楼放大系数、活载是否考虑最不利布置等分析参数与常规建筑结构分析略有不同，应结合高架车站特点和实际情况作相应调整，以获得更为准确的计算结果。

4.2 车站结构配筋设计

本文参考GB50157-2003《地铁设计规范》的相关规定和各专业规范，进行“桥-建结合”高架车站配筋设计。“桥-建结合”车站既属建筑结构，又具有铁路桥梁结构的特点，因此，配筋设计时必须对不同构件采用不同的规范进行综合分析和包络设计，以确保结构安全可靠。

本车站结构配筋设计中，对直接承受列车荷载的轨道梁采用有关铁路桥规的要求进行配筋和设计。对简接承受列车荷载的框架梁、柱及基础按有关铁路桥规和建筑结构规范的要求进行包络设计，并同时满足2个规范的要求。站台层、钢结构雨棚等不承受列车荷载的结构按有关建筑结构规范进行设计。

4.3 车站结构构造设计

对于结构受力较为复杂的“桥-建结合”高架车站，结构构造设计尤为重要。本文结合“桥-建结合”高架车站特点采取以下构造措施：综合考虑使用功能和防水要求，在超长结构单元中部设置800 mm宽后浇带，减少车站因温差和混凝土收缩、徐变对结构的不利影响；轨道梁外侧设置多道防水层并在梁下设置1道混凝土板，既起到防水作用又提高结构整体刚度；轨道梁下设置专用橡胶支座，减少列车行车振动对站房结构和候车舒适性的影响；考虑到车站跨越20 m宽河流且两侧均为已建市政桥梁，设计时将部分基础采用异形承台，避免与原市政桥梁桩基发生冲突，并选用钢板桩围堰施工，以减少对原有市政桥梁的影响。

5 结论与建议

从城市景观、地面交通及车站建筑布置等方面综合来看，高架车站宜采用“桥-建结合”的结构型式。高架车站除站位、造型等比选外，结构方案比选也十分必要，在保证结构安全的前提下，应兼顾技术、投资和工期的要求。从结构体系和动力分析结果看，独柱双悬臂结构方案抗震性能较差，在地震区不宜或少建这种型式的高架车站。

“桥-建结合”高架车站结构涉及到铁路桥梁和建筑结构2个行业的设计理论和规范，因此，在结构整体计算分析的基础上，对不同的构件应采用相应的规范进行设计和验收，对同时承受列车和建筑荷载的构件应同时满足铁路桥梁和建筑结构规范要求。

“桥-建结合”高架车站目前没有统一的设计规程和专用的分析软件，鉴于目前全国范围内在建地铁线路较多，建议相关部门能组织力量制定相应设计规程，编制专用分析软件，不断提高和完善高架车站的结构分析和设计水平。

无锡地铁1号线工程已于2014年7月1日通车运营，目前各高架车站运营良好。

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责任编辑 朱开明

Elevated Station Structure Design on Wuxi Metro Line 1

Liu Haixin, Li Yuanyuan

The paper takes Wuxi metro line 1 elevated station as an example, makes comparative analysis of seismic resistance performance and stress characteristics of the structure type of single column double cantilever and double column double cantilever. It introduces the combined bridge and station architecture with the consideration of station structure selection, load determination, structural analysis and design, and it expounds the combined bridge and station construction with experience and main features of structural design of elevated station.

metro, elevated station, bridge construction, structure design

U442.5+4

2014-12-19

刘海鑫：江苏省交通规划设计院股份有限公司，高级工程师，江苏南京 210005