型钢混凝土转换梁在城市轨道交通高架车站中的应用

王 鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,710043,西安//高级工程师)

型钢混凝土转换梁在城市轨道交通高架车站中的应用

王 鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,710043,西安//高级工程师)

城市轨道交通高架车站因受环境的制约和建筑设计的要求,常需采用转换梁结构。结合工程实例,介绍了型钢混凝土转换梁在某城市轨道交通高架车站中应用情况,对结构方案比选、构件截面设计、指导规程选择及施工措施等进行了论述,提出型钢混凝土转换梁能够提高高架车站复杂结构关键部位的受力性能,满足特殊的建筑功能和造型要求,可为类似工程提供参考。

城市轨道交通；高架车站；型钢混凝土转换梁

Author′s address China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,710043,Xi’an,China

1 工程概况

重庆轨道交通某高架车站位于城市干道茶园路路侧,呈东西向布置；车站周边现状为山地及河滩,车站站位处在河滩坡地上,西高北低；轨面至自然地面高度约为41～23 m,车站轨面平均高度约为30.88 m。车站总图位置如图1所示。车站形式为下部架空的三层侧式高架车站,车站长度为120 m,车站宽度为24.6 m,地上一层为地面层及设备层,地上二层为站厅层,地上三层为站台层。

图1 车站总平面示意图

2 方案比选

2.1 主体结构方案比选

车站结构采用目前建设中应用越来越广泛的“桥-建”组合形式[1-2],对于此种结构形式,可以选择的方案有三种:横向三柱框架结构体系、横向双柱框架结构体系、横向两柱悬挑上托三柱的框架结构体系。 充分考虑车站建筑功能与造型、河道泄洪要求、河道施工作业难度、造价等因素,对上述三种方案进行了比选研究。各方案比选情况如表1所示。

由表1可见:方案一,建筑平面布置合理,站厅层公共区中间只有一排柱,设备布置和空间效果均较好,结构简单；缺点是落到河里的柱和桩基数量过多,对施工和河流水利影响较大,且车站外立面和景观较单一,不符合重庆市对高架车站的统一要求。方案二,减少了落到河中的柱和桩基数量,对施工和河流水利影响较小,外立面和景观效果较好,但站厅层公共区有两排柱,内部空间效果略差。方案三,集合了方案一和方案二的优点,站厅层公共区中间只有一排柱,设备布置和空间效果较好,对施工和河道水利影响较小,外立面和景观效果较好,符合重庆市对城市轨道交通高架车站的统一要求,推荐采用该方案。但是,方案三结构体系最复杂,竖向构件不连续,并且有大悬挑转换梁,普通钢筋混凝土结构难以适用。本着结构为建筑功能服务的原则,对大跨度托柱转换梁结构方案进行了深入设计研究,以期以性能最优的结构为城市轨道交通功能和城市景观服务。

表1 车站主体结构方案比选

2.2 转换结构方案比选

车站结构的主要承载体系为双柱墩及转换构件,转换构件位于双柱墩上部,形式为单跨双侧带悬挑段；横向双柱间距为8 m,净悬挑长度为7.3 m,在悬挑两端及跨中位置托换3柱；在转换构件上部形成梁柱框架结构,支撑上层站台层、简支轨道梁及站台雨棚刚架；轨道梁采用实腹板式,通过盆式支座简支于横梁上。从上述传力途径可以看出,转换构件是本站结构的关键承载构件,转换梁承担着三个柱的集中荷载,集中荷载较大且其中有包含列车动力荷载。转换梁跨高比约为4,属深受弯构件,易发生剪切破坏,其失效将引起结构的整体破坏。为保证结构安全,对钢筋混凝土转换梁、预应力混凝土转换梁、型钢混凝土转换梁、桁架转换体系等四个方案进行了对比分析,各方案具体情况见表2。

通过以上分析可知,型钢混凝土以及预应力混凝土方案均适用于本工程,但型钢混凝土结构转换梁相比预应力混凝土转换梁具有较好的延性,抗震性能更优。综合考虑车站结构安全、工程造价、转换构件的深受弯特征、既有工程建设经验[3,9]等因素,确定转换梁及其支撑柱均采用型钢混凝土结构(SRC)。

3 整体受力结构分析及转换梁内力

工程设计包含有两部分内容,整体受力分析和构件设计。对于“桥-建”组合结构体系的高架车站结构,一部分结构主要承受轨道交通荷载,另一部分结构主要承受人群荷载。《地铁设计规范》要求承受轨道交通荷载和承受人群荷载的结构需分别按铁路桥梁和建筑结构设计规范进行设计。考虑桥梁结构和建筑结构之间有较强的力学联系,整体受力分析应采用一体化建模和分析,结构整体分析采用Midas/Gen有限元程序,结构单元均采用梁单元,采用“m”法将桩基刚度转化为水平和扭转的弹性刚度,在柱底施加弹性连接单元模拟桩土的共同作用。结构整体计算模型及柱底弹性连接示意图分别如图2、图3所示。考虑型钢混凝土构件目前可参考的设计规范[11-12]均采用极限状态设计法进行设计,根据文献[13]中的研究成果,对轨道交通荷载按各自属性和特征进行分析,将其归类为建筑结构所划分的荷载类型,按照极限状态设计法各类组合的基本要求进行荷载组合。根据《地铁设计规范》,其中列车竖向活载为列车竖向静活载乘以动力系数后加载,人群荷载为面荷载。通过整体计算分析得到的基本组合作用下转换梁设计控制截面内力如表3所示,截面位置如图4所示。

表2 转换结构方案比选

图2 高架车站Midas/Gen有限元模型

注:D——柱底位移； R——柱底转角

设计截面/mm位置设计弯矩/(kN·m)设计剪力/kN混凝土截面:1700×2000钢骨:H1600×700×40×60A:跨外支座MA=45000VA=8700B:跨内支座MB=28000VB=11400C:跨中MC=-8500VC=10500

图4 转换梁A、B、C截面示意图

4 型钢混凝土转换梁截面设计

4.1 规范的选择

目前国内有两部行业标准指导型钢混凝土结构设计,分别是YB 9082—2006《钢骨混凝土结构设计规程》(以下简称《钢骨规程》)与JGJ 138—2001《型钢混凝土组合结构技术规程》(以下简称《型钢规程》)。由于这两部规程编制的依据和背景不同,因此二者在SRC构件计算理论和计算方法上均有差异。

在正截面承载力计算方面[12-13],《型钢规程》考虑到了型钢与混凝土之间的粘结作用,计算结果较为经济,其计算值也与试验结果较为接近。在斜截面承载力计算方面[12-13],两部规程采用简单叠加原理,抗剪承载力均包括箍筋抗剪作用、混凝土抗剪作用和型钢抗剪作用；但二者在截面有效高度、分项系数上有差别,尤其是对于承担集中荷载作用的梁。本工程的型钢混凝土转换梁为典型的承受集中荷载(列车动活载)的深受弯构件,剪切作用起控制作用,选用哪部规程进行抗剪承载力计算会影响结构的安全性及经济性。基于此,工程设计承包方中铁第一勘察设计院集团有限公司委托西安建筑科技大学,在考虑基体材料、剪跨比、箍筋三个因素对短梁抗剪性能影响的基础上,设计制作了9个简支梁试件进行试验研究。通过对比分析发现[14],《型钢规程》计算承载力更为保守,《钢骨规程》计算承载力更接近构件实际承载力。

因此,在该车站结构的施工图设计中,采用《型钢规程》进行转换梁的正截面承载力计算,采用了《钢骨规程》进行转换梁的斜截面承载力设计。

4.2 转换梁的截面设计及承载力验算

根据整体计算分析得到的内力,分别根据《型钢规程》和《钢骨规程》计算转换梁正截面、斜截面配筋,同时对构件截面配筋按铁路工程设计规范进行复核验算。转换梁配筋如表4所示。

表4 转换梁截面配筋表

为验证在工程荷载条件下转换梁的屈服状态、破坏模式和极限荷载,按照配筋率相等的原则配置钢筋,设计了与原工程实际相似的带伸臂的转换梁缩尺试件进行静载试验。试验结果显示:试件破坏属于剪切斜压破坏,但试件临近破坏时,承载力下降比较缓慢,延性较普通混凝土结构有明显提高,根据相似原理推算得到转换梁的实际极限承载力大于设计内力,转换梁满足承载要求。

5 型钢混凝土梁施工关键技术

5.1 节点处混凝土的密实性保证措施

由于型钢梁柱节点处存在加劲板,加劲板与加劲板之间、加劲板与钢筋之间间距较小、配筋间距小、钢筋密度大,采用普通混凝土振捣施工困难,很难保证混凝土浇筑的密实性。施工前进行了混凝土配合比试验,观察该混凝土浇筑过程中密实程度及在正常养护下的裂缝开展情况。根据观察结果,研究决定在钢板和钢筋较密处混凝土采用小粒径石子同强度等级的混凝土浇筑,混凝土配合比按照自密实考虑,并采用小振捣棒进行振捣；振捣时注意对称多点振捣,同时也要避免过振,并进行二次振捣,以保证节点区域混凝土的密实性。

5.2 防止混凝土裂缝措施

本工程型钢混凝土转换梁体积较大,混凝土浇筑后,表面因外界温度较低而散热较快,因此会造成柱子、梁内外温差较大。由于型钢的热膨胀率大于混凝土,因此会导致梁的横截面容易被拉裂,出现水平裂缝,在夏季施工时这个问题更加突出。

为防止裂缝产生,采用了高效聚羧酸外加剂降低水灰比,并采用减缩剂减小混凝土的自收缩,采用外加剂补偿混凝土收缩；延长型钢混凝土梁的折模时间；模板拆除后在梁的侧面采用塑料薄膜进行包缠,并在混凝土中埋设温度感应片测定温度变化曲线,用于控制混凝土养护。以上措施有效防止了混凝土的裂缝,取得了良好的效果。

6 结论

(1) 型钢混凝土结构具有强度高、刚度大、延性好的特点,可适用于承受动力荷载的城市轨道交通高架车站的转换梁结构。该车站已于2014年12月开通试运营,经过施工实践和试运营证明,型钢混凝土托柱转换梁应用于城市轨道交通工程高架车站,能够提高复杂结构关键部位的受力性能,满足特殊的建筑功能和造型要求。

(2) 对于型钢混凝土转换梁(深受弯构件)的抗剪承载力,《钢骨规程》计算的承载力较接近试验结果,而《型钢规程》的结果较为保守。通过试验研究发现,从试验极限承载力来说,两种规程对于抗剪承载力均留有一定的安全储备,但是型钢混凝土抗剪破坏时的延性好于一般钢筋混凝土结构,应可以适当提高其抗剪的理论承载力,以提高设计的经济性。

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Application of SRC Transfer Beam in Elevated Metro Station

WANG Peng

The transfer beam structure is often employed in elevated metro stations when they are restricted by environment and demanded by architectural design.Basing on an engineering case,this paper introduces the application of SRC transfer beam in an elevated metro station,discusses structure scheme selection,cross-section design,comparison of design codes,construction measures,etc.It put forward SRC transfer beam can improve the mechanical properties of key parts of complex structures in elevated metro station,and meet the special architectural functions and image requirements.so as to provide a reference to similar projects.

urban rail transit; elevated station;steel reinforced concrete transfer beam

U 233+.4； U 448.38

10.16037/j.1007-869x.2016.07.026

2015-01-16)