不同烈度区钢-混凝土组合高架独柱车站经济性分析

陈 慧 马小丹 马福东

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式单轨具有线路构造简单、建设周期短、爬坡能力强、转弯半径小、乘坐舒适和噪声污染小等特点,备受我国众多城市的青睐。部分学者对跨座式单轨的经济适用性进行研究,武农等通过分析我国的城市结构特征、轨道交通发展政策和现状,说明我国的众多城市对轨道交通的需求具有需求大、对投资建设及运营经济性、环保性和运营效率安全要求高等特征,并指出人口在100 万以上的城市即有轨道交通建设需求或潜在需求[1];赵海宾从建设周期、建设运营成本和运营效益等方面对跨座式单轨交通的经济性进行分析[2]。不难看出,跨座式单轨制式大多以高架形式敷设,高架独柱车站是其重要组成部分,车站的经济性会对整条线路的投资产生较大影响[3]。

目前,针对高架独柱车站的研究主要集中在结构设计[4-8]及抗震分析[9-14]两方面,关于独柱车站抗震设计及经济性分析的相关研究相对较少。以下对该新型结构体系的结构设计标准进行阐述,并对该体系的经济性及影响工程造价的控制因素进行分析。

2 工程实例

2.1 车站建筑规模与标准站型

基于芜湖跨座式单轨设计研究以及对国内在建、已运营的跨座式单轨高架车站的调研,除重庆单轨3 号线采用8 节编组外,其余均按照6 辆编组。因此,在标准站型的研究中,应包容设计各类跨座式车辆参数的限界要求,考量不同跨度对房间布局以及楼扶梯设置的影响,本着提升空间的品质环境尽可能优化层高的原则,从平面设计与竖向设计推出该体系的最优标准站型。标准站型结构剖面和立面效果见图1、图2,高架车站结构由上盖钢结构雨棚、类似“中”形钢-混组合结构和基础(嵌岩桩)组成。

图1 标准站型结构剖面

图2 立面效果

2.2 车站结构主要设计原则及抗震设计要点

(1)车站结构应分别按施工阶段和使用阶段进行强度、刚度和稳定性计算,并保证有足够的承载力、刚度和稳定性

(2)采用“站桥合一”结构体系,除按现行建筑结构设计规范进行结构设计外,轨道梁、支承轨道梁的横梁、支承横梁的柱等构件及基础,也应按现行铁路桥涵设计规范进行结构验算。

(3)高架车站柱距的选择应结合建筑布置与桥梁标准跨径的选择相匹配;车站高架结构中长悬臂结构,应验算端部竖向位移值,并按现行《地铁设计规范》的规定进行控制,同时墩柱顶变形应满足单轨交通运行要求。

(4)车站主体抗震设防分类为乙类、结构安全等级为一级,设计使用年限为100 年。

(5)车站轻量化设计优先采用钢结构雨棚结构,抗震设防分类为丙类,结构安全等级为二级,设计使用年限为50 年。

(6)独柱大悬挑的结构体系由于安全冗余度不高,抗震设计除进行多遇地震(E1)的设计外,还应进行设防地震和罕遇地震(E2、E3)的抗震性能化设计。

(7)“站桥合一”结构体系柱脚设计采用能力设计方法[15]。

(8)基础设计等级为甲级。

2.3 工程地质条件、设计荷载及分析方法

实际工程中,地质条件的区域变化性很大,在不同的区域,即使有相同的柱底荷载,基础设计结果区别也很大,本研究的重点是不同烈度高架独柱车站上部结构构件尺寸的变化对工程经济性的影响,为了体现车站结构的整体技术经济指标,选取某车站实际地质条件,作为本研究的通用地质条件。岩土体主要力学参数见表1。

表1 岩土体主要力学参数 kPa

高架独柱车站上部结构计算时采用的荷载标准值取值见表2。

表2 荷载信息

2.4 结构设计方法

高架独柱车站在设计时,采用两种设计方法,即按照民用建筑结构相关规范对主要构件进行承载能力和正常使用极限状态的验算、按照铁路桥涵设计规范对主要构件进行容许应力验算。抗震设计中,除进行多遇地震(E1)的设计外,还进行了设防地震和罕遇地震(E2、E3)的抗震性能化设计。

2.5 不同烈度下车站经济性指标分析

本研究采用建筑结构设计软件建立模型,并按相应规范设计,确定不同烈度高架独柱车站结构构件尺寸,并进行经济性分析,以确定影响高架独柱车站总工程造价的关键因素。

(1)高架独柱车站工程量统计

在各设防烈度条件下,各高架独柱车站工程量统计信息见表3～表7。

表3 6 度区高架独柱车站工程量统计

表4 7 度区(0.10g)高架独柱车站工程量统计

表5 7 度区(0.15g)高架独柱车站工程量统计

表6 8 度区(0.20g)高架独柱车站工程量统计

表7 8 度区(0.30g)高架独柱车站工程量统计

(2)高架独柱车站上部结构工程量比较分析

为更直观显示各烈度区高架独柱车站工程量,绘制柱状图进行对比,结果见图3、图4。

图3 上部结构混凝土量对比

从图3、图4 中可以看出,随着设防烈度的提高,基于标准站型的高架独柱车站的工程量逐渐增加。由于在高烈度区高架独柱车站的侧向刚度为控制指标,故柱的工程量随着设防烈度的变大而不断提高。从7 度(0.10g)提升至7 度(0.15g)时,柱混凝土工程量提升为原工程量的2.0 倍,柱钢材量提升为1.7 倍;从8 度(0.20g)提升至8 度(0.30g)时,柱混凝土工程量提升为2.1 倍,柱钢材量提升为1.7 倍;当设防烈度从6 度提升到7 度(0.10g)时,高架独柱车站工程量变化不大。

图4 上部结构钢材量对比

(3)高架独柱车站下部结构工程量比较分析

在进行结构设计时,同样对高架独柱车站下部结构进行了设计。下部结构工程量对比见图5、图6。

图5 下部结构混凝土量对比

图6 下部结构钢筋量对比

从图5、图6 可以看出,基础工程量随着设防烈度的提高而增加,这主要是由于上部结构的工程量随着设防烈度的增大不断增大,上部结构自重不断增大,导致承台尺寸和桩数增加。

土方开挖量对比见图7,从图7 可以看出,随设防烈度的提高不断增大,当设防烈度从8 度(0.20g)提升到8 度(0.30g)时,土方开挖量有较大程度的增加(增加约45%)。

图7 土方开挖量对比

(4)不同烈度区高架独柱车站整体技术经济指标分析

为了更加直观地对比各烈度区标准站型高架独柱车站的工程造价,将各烈度区高架独柱车站工程造价以堆叠柱状图的形式绘制(见图8),并以每平米工程造价作为技术经济指标显示(车站主体建筑面积为3 967.34 m2)。

从图8 可以看出,(1)随着设防烈度的提升,高架独柱车站的工程造价逐渐提高,从6 度区至8 度区(0.30g) 每平米工程造价依次为:3 541.0 元、3 927.1 元、5 565.8 元、6 263.4 元和8 167.2 元。(2)设防烈度从6 度提升到7 度(0.10g),每平米工程造价增加386.1 元;从7 度(0.15g) 提升到8 度(0.20g),每平米工程造价增加697.6 元,增加幅度较小;设防烈度从7 度(0.10g)提升到7 度(0.15g)、从8 度(0.20g)提升到8 度(0.30g)时,每平米工程造价分别增加1 638.7 元和1 903.8 元,工程造价变化幅度较大。

图8 各烈度区高架独柱车站每平米工程造价

各烈度区高架独柱车站各部分工程造价组成见图9～图13。

图9 6 度区高架独柱车站工程造价组成

图10 7 度区(0.10g)高架独柱车站工程造价组成

图11 7 度区(0.15g)高架独柱车站工程造价组成

图12 8 度区(0.20g)高架独柱车站工程造价组成

图13 8 度区(0.30g)高架独柱车站工程造价组成

由图9～图13 可知,(1)各烈度区高架独柱车站工程造价中占比最大部分均为上部结构钢材,但随着设防烈度的增大,上部结构钢材造价所占比例在逐渐下降,但始终占总工程造价的50%以上。(2)设防烈度的提升使得上部结构工程量增加,增大了结构自重,这也使得下部结构工程造价(下部承台混凝土、下部承台钢筋、桩基钢筋和灌注桩混凝土)所占比例逐渐增大,当设防烈度从6 度提升至8 度(0.30g),下部结构的工程造价从19.1%提升至39.3%。(3)对实际工程进行优化设计时,对于6 度区和7 度区(0.10g),优化高架独柱车站上部结构可显著降低工程造价,如减小钢管混凝土柱截面尺寸和壁厚,合理布置钢梁,防止钢梁布置过密等。对于7 度区(0.15g)、8 度区(0.20g)和8 度区(0.30g),不仅需要优化上部结构,还应将下部结构作为重点优化对象,通过优化承台尺寸、桩长和桩径,达到进一步降低工程造价的目的。

3 结论

通过结合实际工程制定高架独柱车站标准站型,并利用结构设计软件确定该类结构在不同设防烈度下的主要结构尺寸。通过统计各设防烈度下该类结构的工程量,对影响该类结构技术经济指标的关键因素进行分析。此外,还对该结构的主要设计原则和抗震设计要点进行总结。

主要研究结果包括:高架独柱车站上部工程和下部工程紧密联系,随着设防烈度的提升,上部工程和下部工程的工程量均逐渐增大,导致低烈度区和高烈度区该类工程技术经济指标差距较大;各设防烈度下,上部结构的钢材均占总工程造价的50%以上,故在对该类工程的技术经济指标进行控制时,应当优先对上部工程中的钢-混凝土组合柱、钢柱和钢梁进行优化分析;在低烈度区,可通过对上部工程进行优化,即可有效地控制工程技术经济指标;在高烈度区,不仅需要对上部工程进行优化,还需要优化下部工程,两者协同控制方可确定最优结构方案。