轨道交通高架车站钢结构与混凝土结构协同分析

王伟涛

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

轨道交通高架车站站台雨棚是为站台上旅客候车、乘车提供遮风挡雨的建筑物，是高架车站重要的组成部分。随着我国经济的不断发展，雨棚的结构形式也由过去低矮粗重的混凝土结构形式变成更加轻巧，便于安装和维修的钢结构雨棚形式[1]。在轨道交通结构工程中下部主体混凝土结构经常与上部钢结构雨棚组合应用。由于轨道交通高架车站自身的设计特点，在车站基础及下部主体结构进入设计阶段时，车站上部钢结构雨棚才进入方案阶段，车站上部钢结构雨棚的设计常常滞后于下部主体结构的设计。由于高架车站结构采用两种不同的材料及结构形式，现阶段，多数设计单位对此类混合结构在设计时，通常采用把上部钢结构雨棚与下部主体混凝土结构分开进行简化模型计算[2]。在计算上部钢结构雨棚时，将下部混凝土结构简化为铰接支座或固接支座等支撑约束。在计算下部混凝土结构时，将上部钢结构荷载及质量进行等效施加在下部混凝土结构上[3]。两种混合结构在分开计算时，忽视上部钢结构雨棚实际刚度和空间效应对下部主体结构的影响；忽视高架车站上部结构在整体计算时，混凝土作为钢结构雨棚的基础，在支承刚度、混凝土收缩、徐变等因素对上部钢结构雨棚的影响，两者之间的协调工作未能充分考虑。由于两种结构材质在质量和刚度分布上的不同，导致两者在地震作用、风荷载等动力荷载作用下产生差别[4]，导致计算结果与实际情况存在较大差异。

针对成都轨道交通高架车站站台钢结构雨棚与下部混凝土主体结构协同作用，采用有限元数值分析，找出分开独立计算和整体协同计算结构的差异和规律，为同类型工程的设计及施工提供借鉴和参考。

1 工程概况

成都轨道交通高架车站上部钢结构雨棚与下部混凝土主体结构建筑效果见图1。由于受周边道路及景观的影响，常见的车站结构形式有单墩柱、双墩柱结构和三柱结构。车站总长186 m，车站计算单元取93 m，车站主体宽22.4 m，两侧站台宽3.2 m。站厅层单墩柱结构柱截面为2.0 m×3.0 m，双墩柱结构柱截面为1.5 m×1.6 m，三柱结构边柱截面为1.0 m×1.0 m，中柱截面为1.2 m×1.2 m；站台层边柱截面为0.5 m×0.5 m，中柱截面为0.4 m×0.4 m；钢结构雨棚主钢架截面为500 mm×300 mm×12 mm×16 mm。单墩柱和双墩柱结构最大悬挑长度为7.8 m。

图1 高架车站主体结构及雨棚整体效果图

2 结构设计参数取值及工况组合

在工程设计中荷载是结构设计的重要依据，取值的合理性将直接影响结构的安全性、使用性和经济性。高架车站结构在计算时应考虑荷载有：结构自重、恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、列车荷载、温度效应和地震作用等。

2.1 计算模型

高架车站结构受力分析采用Midas/Civil有限元程序，建立三维空间有限元模型。模型主要包含基础承台，主体混凝土结构和屋面钢结构雨棚。其中混凝土结构及钢结构采用梁单元，雨棚与车站主体整体协同计算时，雨棚柱脚采用刚性连接；雨棚单独计算时柱脚同样采用刚性连接，当采用简化的铰接支座连接时会导致设计结果不安全[5]；车站结构计算时应考虑土体对桩基的约束，采用土弹簧进行模拟，以桥规中桩基的“m”法[6]确定。

2.2 设计参数

高架车站结构设计使用年限为100年[7-8]，车站的抗震设防类别为重点设防类(乙类)，耐久性为100年，结构安全等级为一级，结构重要性系数γ0=1.1。

(1)列车荷载[9]：本工程采用A型车，轴重P=80 kN，8A编组(采用MIDAS Civil移动荷载工况施加列车荷载)，对于承受其他相关的列车荷载按照TB10002—2017《铁路桥涵设计基本规范》[10]取值。(2)地震作用：成都市抗震设防烈度为7度，基本地震加速度值0.10g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，地震动反应谱特征周期值Tg=0.45 s。根据GB5011—2010《建筑抗震设计规范》及CECS160：2004《建筑工程抗震性态设计通则》可以得到设计使用年限为100年时，结构的地震作用调整系数取1.3～1.4，因此取αmax=0.112。(3)其他荷载：基本风压、基本雪压、温度作用等按照文献[11]取值。

2.3 荷载工况组合

在荷载工况组合时，考虑以上所列各项荷载标准值，当计算结构横桥、纵桥方向位移时，荷载按照主力、附加力和特殊荷载分类，其荷载组合按照GB50157—2013《地铁设计规范》执行[12]；当计算结构最大层间位移比及最大层间位移角时，荷载组合按照《建筑抗震设计规范》执行[13]。

3 协同计算结果对比分析

根据高架车站建筑方案要求，结合车站规模、周边道路及市政景观等，分别从单墩柱、双墩柱、三柱车站结构3种主体结构形式和上部钢结构进行协同作用对比分析。结构协同计算及上部钢结构三维模型如图2～图5所示。

图2 单墩柱车站整体三维模型

图3 双墩柱车站整体三维模型

图4 三柱车站整体三维模型

图5 雨棚整体三维模型

3.1 结构动力特性对比分析

对于车站上部无钢结构雨棚的主体结构，在计算下部混凝土结构时[14-16]，将上部钢结构进行荷载质量等效；对于车站上部有雨棚的主体结构，采用整体计算。两种结构按特征值向量法进行模态分析，见表1～表3。

表1 单墩柱车站上部有雨棚、无雨棚的周期及振型

表2 双墩柱车站上部有雨棚、无雨棚的周期及振型

表3 三柱车站上部有雨棚、无雨棚的周期及振型

从表1～表3可以得出，车站无钢结构雨棚和车站有钢结构雨棚周期比均满足规范限值要求；车站无钢结构雨棚周期均比车站有钢结构雨棚周期小，三柱车站协同作用下振型与车站上部结构独立计算下结构的振型模态差异较大。分析表明，钢结构雨棚的刚度在协同计算时对车站结构整体刚度有一定的影响，结构模型在协同计算时振型模态多由上部钢结构控制[17]，结构主体独立计算不能真实反映车站结构整体刚度。由于阻尼比直接影响结构地震作用下的特征模态，对于上部钢结构和下部混凝土结构的轨道交通高架车站结构，不宜采用固定阻尼比进行地震作用分析[18]，还需进一步研究。

3.2 结构位移及位移角对比分析

对于高架车站结构的横向位移和纵向位移在铁路桥规和建筑结构规范中都有明确要求，也是反映结构平面规则与否的重要依据，目的是使结构抗侧力构件布置更加有效、合理。在地震作用下主体结构模型与上部钢结构模型协同作用和独立作用下车站横向(Y向)和车站纵向(X向)的位移及位移角如表4～表6所示。

表4 单墩柱结构两种计算模型的位移及位移角

表5 双墩柱结构两种计算模型的位移及位移角

表6 三柱结构两种计算模型的位移及位移角

从以上3种结构形式层间位移最大值可知，对比独立和整体计算两者数值，地震作用下整体模型层间位移角值多数大于独立模型[19]。下部混凝土结构模型独立计算和整体协同计算位移值最大相差1.98%，计算结果较为接近。层间位移角最大值满足按照建筑抗震规范对于现浇框架结构柱顶位移1/550限值的要求；层间位移最大值满足按照铁路桥规对于墩顶纵横向弹性水平位移的限制要求。因此层间位移最大值独立和整体计算均满足两种规范要求。

3.3 结构柱底剪力对比分析

对于高架车站上部无雨棚的主体结构独立作用和车站上部有雨棚的主体结构协同作用分别按CQC法计算地震作用下的柱底剪力，如图6～图8所示。

图6 单墩柱结构两种计算模型的柱底剪力

图7 双墩柱结构两种计算模型的柱底剪力

图8 三柱结构两种计算模型的柱底剪力

从图6～图8可知，在地震反应谱作用下，高架车站主体结构在无上部钢结构独立计算时比大多数有上部钢结构协同计算的柱底剪力大。从数值上分析，双墩柱车站及三柱车站结构协同计算与车站主体结构独立计算差值很小；但从图6可知，单墩柱结构在反应谱作用下X向的柱底剪力，在主体结构整体计算时比其下部混凝土结构独立计算时大约12%，单墩柱车站主体结构独立模型进行计算时相比协同计算偏于不安全。由此可见，在地震作用下上部钢结构雨棚对主体结构的影响尤其是单墩柱车站不能轻易忽视。

3.4 上部钢结构雨棚屈曲对比分析

由于上部钢结构独立计算时边界条件为钢结构支座固接或铰接，整体协同计算时钢结构支座连接于下部混凝土结构，两种计算模型在混凝土支承刚度、混凝土收缩、徐变等因素下存在差异，不完全相同。因此对于上部钢结构在结构独立模型和结构整体模型，在满跨活荷载作用下屈曲临界荷载[20]见图9～图12及表7。

图9 单墩柱结构协同计算第一阶屈曲临界荷载

图10 双墩柱结构协同计算第一阶屈曲临界荷载

图11 三柱结构协同计算第一阶屈曲临界荷载

图12 钢结构雨棚独立计算第一阶屈曲临界荷载

从表7可以得出，高架车站钢结构屈曲临界荷载独立计算时比上部钢结构与下部混凝土结构协同计算时都要小；协同计算时屈曲临界荷载三柱车站小于双墩车站，双墩车站小于单墩车站；从图9～图11可知，雨棚独立计算时临界荷载的位置明显发生变化，出现在端部。分析结果主要是：钢结构单独计算时柱脚支承刚度大于协同计算刚度；三种类型的高架车站协同计算的支承刚度，三柱车站大于双墩车站，双墩车站大于单墩车站。分析表明：钢结构脚部的支撑刚度对钢结构的稳定性有很大的影响，钢结构的屈曲临界荷载协同计算相比上部钢结构独立计算偏于安全。

表7 上部钢结构独立模型和结构整体模型屈曲临界荷载

4 结论

(1)高架车站结构动力特性进行分析时，车站无雨棚钢结构和车站有雨棚钢结构周期比均满足规范限值要求；考虑上部钢结构与下部混凝土结构的协同作用计算，结构的周期明显大于独立计算的结果，上部钢结构的刚度对结构整体计算起有利作用。

(2)高架车站地震作用分析时，结构整体模型节点位移和柱底反力均与独立车站主体结构存在差异，其中双墩柱及三柱车站结构差异较小，考虑车站主体结构独立模型计算相比协同作用的整体模型计算偏于安全。但是对于单墩柱车站两者差异较大，在主体结构设计时不能忽视考虑上部钢结构协同作用的影响。

(3)不同类型的高架车站主体结构与上部钢结构雨棚协同计算的钢结构屈曲临界荷载，主体结构对钢结构脚部的支撑刚度影响不同，钢结构的屈曲临界荷载存在差异，但是相比上部钢结构独立计算偏于安全。

(4)轨道交通高架车站应考虑上部钢结构和下部混凝土结构协同计算，车站结构协同计算模型与实际情况更加吻合，结果更加准确、可靠。

(5)高架车站建议在建设及设计过程中，应在初步设计阶段对其上部钢结构雨棚进行造型及方案确认，车站上部钢结构雨棚设计要先于基础结构及主体结构设计，应为基础结构及主体结构的设计提供较为准确的设计方案和上部荷载。