轨道交通高架车站结构设计

阎一澜

摘要：随着经济的快速发展，我国越来越多的城市开始加强轨道交通的建设。南宁市武鸣线工程武华大道站为路中三层侧式高架站，为"桥建合一"结构。本文应用PKPM程序建立该车站的三维有限元模型，分析了该车站的地震响应和在地震作用下所产生的内力和位移变形，最后验证设计结构的安全性能，其设计方法和成果可为同类高架车站提供设计参考。

关键词：高架站;PKPM;地震作用;结构设计

1 工程概况

南宁市位于中国的西南地区，地质地理条件相对较稳定，历史上出现的地震多在5级以下，地层活动活动不太活跃，因而灾害性比较小。武鸣线工程全长约53.2km，南起安吉客运站，北至完美世界，线路共设车站13座，其中高架站10座、地下站2座、地面站1座。线路经过武鸣区的抗震设防烈度为VI度。武华大道站为其中的一座高架站。

武华大道站位于南宁市定合路与武华大道路口南侧，沿定合路南北向布置，道路东侧有一个水泥厂，定合路尽头现场有围挡（上有征地拆迁字样）。规划图上定合路与完美世界新建道路要实现贯通。该车站总长120m。车站设计方案应与周边环境相协调，在确保建筑结构安全的同时也保证景观效果良好。结合市郊铁路武鸣线工程具体地质条件和周围的道路及建筑分布，该站采用“桥建合一”的高架结构，其中，从第一到第三层依次为站厅层、站台板下层、站台层，三层均采用框架结构。本工程的设计重点是单柱盖梁上的框架结构的布置。

2 主要技术标准

车站的结构设计是在满足建筑使用功能的前提下，保证结构具有足够的承载力、刚度和稳定性，使结构断面尺寸及配筋经济合理。武华大道站的结构设计采用如下技术标准：

（1）本站建筑物的设计使用年限设定为100年，建筑安全等级设为一级，建筑结构耐火等级设为二级。

（2）本站主体结构的抗震等级设定为二级，抗震设防类别为乙类。地震设计基本地震加速度为0.05g，抗震基本烈度为6度。

（3）对于桥建合一工程体系，为了安全起见，应进行荷载最不利组合。

（4）对于车站桥梁结构构件裂缝，在一般大气环境下，按有防护措施情况下为0.25mm，无防护措施情况下为0.2mm进行控制。

（5）轨道梁梁体在竖向静活载下竖向挠度限值为L/2000。

（6）相邻基础的沉降极限为：有碴桥面不得超过20 mm，无碴桥面不得超过10 mm。

3结构方案

3.1设计尺寸

武华大道站结构的主要尺寸如表1所示，包含对站厅层、站台板下层（轨道层）和站台层的梁、柱、板尺寸的设计。

3.2主要荷载

（1）恒载

对于楼面恒载，本文依据《建筑结构荷载规范》进行添加。楼板自重由PKPM自动计算得出。除了楼板本身自重，考虑到混凝土面层、板底抹灰、二次装修等，站厅层、轨道层、站台层的恒载依次在板自重的基础上增加3KN/m2、1KN/m2、2KN/m2。有直升梯的部位需进行楼板开洞。各层的梁间荷载依据墙厚、墙高、抹灰厚分别设定为18kN/m、3.7kN/m、15kN/m。

（2）活载

武华大道站主体结构设计为纯框架式。本文考虑的活载可以分为两部分，一部分是由列车在轨道上运行引起的，另一部分是施加在楼板上的活载，如人群荷载，以及风荷载等。由列车引起的荷载包括列车动力作用、无缝线路纵向水平力、列车离心力等。站厅层、轨道层、站台层的活载依次取为8KN/m2、1KN/m2、4KN/m2。

（3）附加力

本工程中附加力考慮的是列车横向摇摆力、制动力或牵引力、以及温度的变化。钢筋混凝土材料具有热胀冷缩的特性，因而必须要考虑温度应力的影响。根据南宁市具体气候情况，车站温度作用按整体温度升高10℃和降低10℃来考虑。

3.3车站主体结构方案

结合市郊高速铁路武鸣线改建工程具体条件，本站主体采用“桥建合一”的主体结构设计型式，车站屋盖采用钢结构，轨道梁采用预应力混凝土结构，车站基础采用桩基础，站厅和站台的楼板均采用普通钢筋混凝土结构。

3.4梁型结构方案

本工程的梁结构采用T梁。T梁结构是一种常见的桥梁结构设计形式。这种结构具有成熟的工程施工和建筑设计应用经验，不仅可以减小混凝土梁的用量，而且跨越能力大，最大穿越跨度可达50m。

3.5桥墩基础结构方案

根据本线地质条件，土体承载力不高，扩大基础不适用于本项目;钢筋混凝土预制桩的承载力低、沉降大，因此这种基础用在本项目也并不适用;人工挖孔桩由于施工风险较大，不建议使用;夯实桩由于本工程经过南宁市区及多个村庄，打击夯实过程会对现有建筑结构产生影响，因此本线采用承台+钻孔灌注桩基础。

4计算模型及数值分析

本站结构采用PKPM建立车站三维计算模型进行结构分析。

4.1抗震分析

（1） 结构周期及振型方向

经计算，本工程地震作用的最不利方向角为-90.00度。

（2）各地震方向参与振型的有效质量系数

根据《高规》5.1.13条，各振型的参与质量之和不应小于总质量的90%。本工程中，第1地震方向EX的有效质量系数和第2地震方向EY的有效质量系分别为99.22%和94.99%，因此参与振型足够。

（3）地震作用下结构剪重比

根据《抗规》5.2.5条规定，6度（0.05g）设防地区，水平地震影响系数最大值为0.04，X向楼层和Y向楼层的剪重比均不应小于0.80%。由图4可见， 本设计的X向和Y向地震的剪重比均符合要求。

4.2变形验算

根据《高规》3.7.3条规定和《抗规》3.4.3-1规定，经验算，本工程在各种工况下的最大层间位移角、最大位移比、最大层间位移比均满足规范要求。具体结果如表3所示。

4.3抗倾覆和稳定验算

（1）抗倾覆验算

根据《高规》12.1.7条，在重力荷载与水平荷载标准值或重力荷载代表值与多遇水平地震标准值共同作用下，高宽比大于4的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区;高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。结构的抗倾覆验算结果满足要求。

（2） 整体稳定刚重比验算

该结构最小刚重比Di*Hi/Gi（109.94，第3层）不小于20，可以不考虑重力二阶效应;最小刚重比Di*Hi/Gi不小于10，能够通过高规（5.4.4）的整体稳定验算。

5结语

本文首先介绍了南宁市武华大道站的工程概况和进行高架站设计时所采用的技术标准，接着介绍了该站的结构尺寸、主要荷载、车站主体结构设计、梁型设计、桥墩基础结构设计。基于上述设计参数，本文对该高架结构进行了抗震分析、变形验算、抗倾覆和稳定验算。经检验，该结构的设计无超筋超限，满足各项规范的要求，可为类似的高架车站结构设计提供一定的参考。

参考文献：

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中国市政工程西北设计研究院有限公司