单柱高架车站的结构特征及设计要点

2017-02-23 10:51
山西建筑 2017年1期
关键词:盖梁高架悬臂

靳 磊

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

单柱高架车站的结构特征及设计要点

靳 磊

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

结合单柱高架车站的结构特征,介绍了该车站的设计与结构选型方法,并从单柱墩、大悬臂盖梁、基础等方面,阐述了单柱高架车站的设计要点,使车站的设计满足安全、经济、合理、美观等要求。

单柱高架车站,结构选型,单柱墩,大悬臂盖梁

随着我国城市化进程的加快,人口膨胀、交通拥堵、环境污染等社会问题在大中型城市越发突出。城市轨道交通具有节能、环保、安全高效等特点,是有效疏解城市交通问题的良方。在建设过程中,特别是城市主城区,存在高楼林立、地下管线错综复杂、干道交通不容中断等现实困难;迫于场地所限、有效控制造价,部分线路采用高架形式。在确定站房型式时,宜优先考虑采用集占地少、乘车环境好,且具有自然通风和天然采光,安全疏散容易等优点于一身的单柱高架车站。然而,单柱高架车站不符合《建筑抗震设计规范》中的建筑结构体系;具有结构长宽比大、纵横向抗侧力刚度差异明显、缺乏多道安全防线等一系列自身特性。本文系统地梳理此类结构的基本特征和设计要点,以期为同类工程设计提供参考。

1 单柱高架车站的结构特征

单柱高架车站作为“桥—建”组合结构体系中的一种特殊形式,主要由承受列车荷载的轨道梁和车站房屋主体结构组成;站房主体结构通常由单柱墩+大悬臂预应力盖梁+轻钢屋盖组成。图1为其实际应用。

经分析,该类结构体系具有以下基本特征[1]:1)结构纵横向抗侧刚度及动力特性差异明显;2)结构长宽比很大,结构扭转效应明显;3)墩柱属于短柱或超短柱;4)结构在竖向存在刚度突变;5)结构缺乏多道防线;6)结构头重脚轻,重心上移,地震反应明显。

2 设计方法

单柱高架车站兼具桥梁、建筑结构两种特性。通常其轨道梁、盖梁、墩柱及基础归属于铁路桥梁结构范畴;站厅、站台层及屋盖雨棚等属于建筑结构范畴。

一般,桥梁设计采用容许应力法;而房建设计采用极限状态设计法[2]。如何兼顾两种规范,《地铁设计规范》明确规定:当轨道梁支承或刚接于轨道桥梁上,形成“桥—建”组合结构体系时,轨道梁及其支撑结构的内力计算应与区间桥梁相同的方法进行结构设计;其余构件按现行建筑结构设计规范进行结构设计。

单柱高架车站应按现行国家标准《铁路工程抗震设计规范》的有关规定进行抗震设计,抗震设防类别应划为B类。横梁、结点和基础应作为能力保护构件,按能力保护原则设计。站厅层、站厅层结构及与墩柱、横梁的连接,应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》的有关规定进行抗震设计及设防。

3 结构选型

本文以深圳轨道交通某单柱高架侧式车站为例,对结构选型、设计要点进行论述。国贸站位于深圳市核心区域,为减少对主干道交通和城市景观的影响,车站结构选型时综合考虑周边环境(位于路中,且有3 m宽绿化带)、地下管网等因素,本着节约用地,确保与周边环境和谐统一的原则,单柱高架车站是最为经济合理的结构形式。

单柱高架车站主要分:单柱高架侧式、岛式车站。其中,单柱高架侧式车站横向主要受力构件由单柱+双层大悬臂盖梁构成的“干”字形主要受力构件及上部站台夹层、轻钢屋面组成;单柱高架岛式车站横向主要受力构件由单柱+单层大悬臂盖梁构成的“T”字形主要受力构件及上部竖向转换构件、轻钢屋面组成;单柱墩、大悬臂盖梁均为结构体系关键部位。典型横断面构造如图2所示。

功能布局上:首层均为架空层,将车站单柱立于路中绿化带上,最大程度降低对主干道交通的影响;2层为站厅层,中间为公共区,两侧为车站管理及设备用房;3层为站台层及其夹层;2层旅客进出站天桥可兼有过街功能。相较于单柱高架岛式车站,单柱高架侧式车站具有以下特点:

结构传力途径明确,主要荷载作用在大悬臂盖梁上,并由其传至柱墩,站台层无需设转换构件作用在首层大悬臂梁上,上下双层悬臂梁分担荷载相对合理;起控制性荷载集中作用在大悬臂梁根部,大悬臂梁的承载力和刚度易于满足;功能上,一般侧式车站体型略宽。《地铁设计规范》规定“岛式车站不宜采用独柱式带长悬臂‘桥—建’组合结构体系”。综上,宜采用单柱高架侧式车站。

4 设计要点

4.1 单柱墩

结合所处主干道横断、受建筑及设备功能布置影响,现对9 m×10 m温度区段车站结构采用MIDAS软件进行实体建模分析。除柱墩截面分别按2 500×2 500(模型1),1 850×2 800(模型2),1 500×3 000(模型3)进行比选外,其余构件布置完全一致。模型如图3所示。

4.1.1 对楼层剪重比的影响

经对比:在多遇地震作用下,三个模型纵、横向剪重比均满足抗规要求。纵向剪重比基本一致;横向剪重比大小依次为:模型1最大、模型2居中、模型3最小(见表1)。故在满足横向抗侧刚度基本要求的前提下,宜减小单柱截面的纵向惯性矩来降低结构地震效应。

表1 多遇地震作用下楼层剪重比汇总 %

4.1.2 对结构自振特性的影响

前四阶自振模态基本一致,自振模态及其特性周期见表2。

表2 模型自振特性汇总

经比较,通过对单柱截面型式的优化调整,纵横向抗侧刚度差别减少,两主轴向的动力特性差异有一定程度减小,达到优化结构自振性能的目的。

4.1.3 对温度效应的影响

在升、降温效应作用下,3个模型的结构构件内力分布基本一致。在温度效应下,柱墩弯矩、剪力均呈现两头大、中间小的特点;结构纵向刚度越大,纵向构件伸缩时,受到较强的牵制约束,产生的温度附加力也就越大。柱底最大内力汇总见表3。

由表3可知,柱截面对车站结构温度效应影响明显。模型纵向刚度越大,温度效应越大,对其内力控制越不利。温度效应下,3个模型的最大弯矩比值约为2.5∶1.5∶1,最大剪力比值约为2.2∶1.4∶1。建

议在满足必要的横向刚度下,减小纵向单柱刚度可有效控制温度附加力。

表3 升降温效应对应柱底反力

4.2 大悬臂盖梁

作为单柱高架车站主要承载构件,盖梁一般悬挑长度约为10 m,且需承受建筑静荷载及列车动荷载,其荷载种类和分布状态较为复杂。预应力结构在有效控制梁高及抗裂性、耐久性上的优势是钢筋混凝土构件无法实现的。大悬臂盖梁因其刚度、裂缝等控制较严格,宜采用预应力结构形式,可有效控制截面高度和裂缝、提高结构刚度,有效解决高架站建筑功能、道路限高等问题。

相对于全预应力设计,部分预应力有以下优点:节约预应力筋;避免过大的长期反拱;预应力筋制作和张拉工作量小,方便施工;适量的预应力在破坏时呈现延性,对结构抗震较为有利。

故大悬臂盖梁建议按部分预应力构件设计。另大悬臂盖梁作为能力保护构件,按能力保护原则设计;需兼顾了“房建”“桥梁”两种专业规范,以保证铁路规范的强度、裂缝等指标的要求;还需满足建筑抗震规范对框架结构抗震性能的要求。

4.3 基础设计

基础作为能力保护构件,按能力保护原则设计。合理的基础设计,可确保单柱高架车站横向的结构稳定和必要刚度。桩基设计时,宜将桩基刚度转换为弹簧刚度输入整体模型分析,以墩底嵌固边界条件计算将造成对结构横向刚度的估计偏高,且易造成均匀温度场中边柱墩温度效应模拟的失真。当需通过增加桩基刚度以加强结构横向刚度时,桩基刚度的调整主要包括以下几个方面[3]:拉大桩间距:可明显提高桩基转动刚度,减小承台底面转角;提高桩身质量:采用后注浆桩基、扩孔桩等技术措施,以提高桩基承载力和刚度;改善土层性质:换填桩身顶部杂填土,减小承台水平位移。

5 结语

伴随城市轨道交通的大力发展,单柱高架车站以其独特优势被逐渐推广。本文从该结构的基本特征、结构选型及设计要点等方面做了系统分析,针对柱墩、大悬臂盖梁及基础等的设计要点展开简要论述,以期为同类工程设计提供参考。

[1] 赵杰林.独柱式长悬臂高架车站地震安全性探讨[J].建筑结构,2012(4):80-81.

[2] 杨开屏.高架车站大悬臂预应力盖梁设计探讨[J].铁道标准设计,2012(12):103.

[3] 杨开屏,毛念华.城市轨道交通独柱墩高架车站的墩柱及桩基设计探讨[J].铁道标准设计,2011(2):81,83.

The basic characteristics and key points of single-column elevated station

Jin Lei

(RailwayNo.3SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Tianjin300251,China)

Combining with the structural features of the single-column elevated station, the paper introduces the station’s design and structural type selection method, and illustrates its design points from the single column pier, large cantilever coping, and foundation, so as to meet the demands of the safety, economy, reasonability and beauty of the station.

single-column elevated station, structure type selection, single column pier, large cantilever coping

1009-6825(2017)01-0055-02

2016-10-24

靳 磊(1984- ),男,硕士,工程师

TU318

A

猜你喜欢
盖梁高架悬臂
大悬臂双柱预应力盖梁设计的影响因素分析
桥梁限高架缓冲碰撞的结构改造研究
城市高架钢箱梁制作与安装施工
悬臂式硫化罐的开发设计
土木工程加宽桥梁的墩柱及其盖梁标准施工技术探究
当液压遇上悬臂云台 捷信GHFG1液压悬臂云台试用
探讨挂篮悬臂灌注连梁的施工
悬臂式掘进机的研究分析
高架牵引豇豆高产栽培技术
地铁高架柔性接触网缺陷及解决方案