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郑州城郊铁路工程独柱车站设计探讨
发布日期:2018-02-23 10:38:42
郑州城郊铁路工程独柱车站设计探讨

摘    要:本文结合郑州城郊铁路工程实例,对独柱高架车站结构设计中遇到的问题和难点进行了研究和探讨。对独柱高架车站所包含的基础、上部结构、钢罩棚、车站与区间等方面内容进行了阐述,为此类轨道交通高架车站实际工程的结构分析设计提供参考。
关键词:城市轨道交通,桥建合一,独柱高架车站
 

一、工程概况


       郑州市城郊铁路工程的起止范围为郑州市南四环站至郑州南站,线路主要沿龙湖镇内的老107国道、泰山路、华南城大道以及航空港区内的郑港三路、郑港四街以及迎宾大道敷设,全长约41.16km,其中高架线长约16.03km,地下线长约23.86km,过渡段长约1.27km,共设车站18座,平均站间距为2.27km。其中7座为高架车站。全线设车辆段、停车场各一座,其中,车辆段位于新老107连接线北侧,京广铁路西侧的地块中,由孟庄路站接轨,占地面积约40公顷,停车场位于郑州南站东南角,占地面积约10公顷。

二、车站结构形式选择


       目前国内的高架车站根据线路同地面既有道路间关系基本分为路侧式和路中式。根据规划道路交通及周边情况,一般路侧式高架车站条件宽裕,基本采用两柱以上“桥建合一”框架式车站。并根据车站站台功能需求布置成为“岛式车站”或“侧式车站”。而路中式高架车站一般布置在地面机动车上下行车道中间,受条件限制多采用独柱或双柱“桥建合一”车站。且由于结构特殊性,独柱站一般采用“侧式车站”不宜布置“岛式车站”。双柱车站根据车站站台功能需求布置成为“岛式车站”或“侧式车站”。

       地铁设计规范规定:高架车站结构中轨道梁及其支承结构的内力计算应与区间桥梁相同的方法进行结构设计。即支承轨道梁的横梁支承横梁的柱等构件以及柱下基础的设计按现行铁路桥涵设计相关规范。组合结构体系其余构件应按现行建筑结构设计规范进行结构设计。

       因此,行业内习惯将这种需要按“桥规”、“建规”组合的结构称为“桥建合一”式结构。

       本项目根据既有道路和远期规划的需求,其中5座高架车站设置在道路中央5米绿化带中。最终选择了独柱侧式“桥建合一”高架车站的形式。
 


三、独柱高架车站结构设计


1、车站概况


       根据郑州轨道交通整体要求和路网规划,车站采用了,独柱干字型“桥建合一”的结构形式。该形式采用桥梁和框架结构共同承担车站的主体功能。

      主体立面为“干”字型结构,双大悬臂盖梁加框架梁柱。再通过框架体系将独立的桥墩盖梁连接形成整体的车站。上下三层,一层为架空层,二层为站厅层,三层为轨道层。该结构体系上部双大悬臂,最宽处11.4米,并且设备层管理用房均放置第二层站厅层中,而下部采用独柱结构。车站全长126米,纵向为12轴10跨,纵向跨度为13x2+12x2+13x2+12x2+13x2m,在6、7轴间设置温度缝,温度缝宽100mm,其中6、7轴墩柱共用承台,其他轴为独柱承台。如图3-1所示:

图3-1  郑州城郊铁路工程独柱高架车站整体设计图

2、场地类别选取问题


       目前建筑抗震规范、铁路抗震规范关于场地土类别的划分存在差异。“铁规”是以计算深度范围内的等效剪切波速来划分,规范规定计算深度取地面或一般冲刷线以下25m,并不得小于基础地面以下10m。而“建规”是依据计算深度范围内各层土的等效剪切波速、场地覆盖层厚度为准来划分的,且计算深度取覆盖层厚度和20m二者的较小值。在这种情况下,就会存在同样场地,按照两规范确定的场地土类别不一样的问题。也可以说两者的安全储备不同。

      目前在设计中,需要注意结合两者取不利情况进行地震作用计算。


3、混凝土裂缝保护层判别


       高架车站钢筋混凝土构件(不含临时构件),按铁路桥涵规范设计的构件正截面裂缝宽度控制值取0.2mm。耐久性设计使用年限为100年。

      高架车站钢筋混凝土构件(不含临时构件),按建筑结构规范设计结构中露天或迎土面混凝土构件的环境类别为二类a,内部混凝土构件的环境类别为一类。一般情况下,钢筋混凝土结构构件裂缝宽度限值:二类a为0.2mm,一类为0.3 mm。耐久性设计使用年限为100年。

      按照“建规”室内混凝土结构裂缝可控制到0.3mm。但是高架车站轨道层由于车辆进出,两端未封闭,按“建规”部分构件结构裂缝按0.2mm还是0.3mm设计值得商榷。


4、车站基础设计的探讨


      根据地铁设计规范,独柱车站下部按“铁规”设计。一般“铁规”桥梁的承台均为独立的承台,是因为区间桥梁跨径较大。并且上部梁体和墩柱之间均为支座连接。

      建筑地基基础规范8.5.23条:“有抗震要求的柱下独立承台,宜在两个主轴方向设置连系梁。”

      独柱高架车站上部站台层,轨道层采用框架刚接,车站纵向结构形成多跨连续框架,受力特点与房屋建筑接近,地震作用下塑性铰首先出现在纵向框架梁端。
 

      车站墩柱根据规范要求,墩间距不宜大于20m。一般设计时墩间距常常控制在10~15m左右。本项目车站基础采用6根1.5m摩擦桩,承台平面尺寸7.5x12m实际承台间长度在4.5~5.5米之间。是有条件设置承台系梁的。虽然按照现行规范采用“铁规”无需设置系梁,但是按照“建规”设置基础系梁对结构整体抗震和对相邻沉降差的控制是有益的。如图3-2所示:

图3-2  设置承台系梁后的独柱高架车站基础布置图

 

5、上部结构设计思路


      上部结构设计计算时,应以整体结构空间模型为依据,依据地铁设计规范对各类荷载进行组合,对结构整体进行变形承载力等分析。

      独柱车站上部设计计算时需要重点分析的构件就是独柱。目前常用设计软件中PKPM的空间模型,在独柱下部为固定刚接。这样计算后结果偏大。如图3-3所示:

图3-3   PKPM三维整体模型

 
      而实际计算中应充分考虑桩土协同工作效应,整体结构模型要体现铁路桥梁要求的基础变形对上部结构的影响。目前常采用迈达斯空间模型模拟计算。如图3-4所示:

图3-4 Midas三维整体模型

      并且Midas中列车荷载可以模拟实际列车运行时的车道加载,PKPM中一般是把列车荷载模拟成梁间荷载加载。在轨道梁双规范设计中Midas数据更为接近现实工况。

      在上部结构设计中还要注意几个问题:

      在对独柱盖梁等按照“铁规”设计计算构件进行分析计算时,车站上部建筑常用荷载和荷载组合方式、组合系数、分项系数等,要依据铁路桥梁规范容许应力法的要求进行调整,以达到符合“铁规”相关要求为原则。

      而对于上部框架部分按“建规”设计计算构件进行分析时,轨道层包括列车等铁路桥梁常用荷载和荷载组合方式、组合系数、分项系数等,要依据建筑结构规范极限状态设计法的要求进行调整,以达到符合“建规”相关要求为原则。

6、车站钢罩棚与主体结构


      高架车站为了形体美观,并且减少自重常采用轻钢结构罩棚。因钢结构罩棚很柔,纳入整体模型计算,第一周期会长很多,致使计算地震力偏低很多。而计算时不计入钢罩棚时,计算刚度大,地震力也相应增大。因此,笔者建议设计计算时,钢罩棚只按荷载加载到主体结构进行计算。然后单独对钢结构柱脚的连接进行抗震验算。

      同时笔者根据多个项目经验,高架车站钢结构罩棚外立面造型的确定,由于各种原因习惯性滞后于车站主体结构设计。这就要求设计人员在车站主体结构设计时充分考虑钢结构造型,柱脚预埋对车站主体的需求。做好相关部位预埋,对结构尺寸的需求,并考虑防雷接地的贯通连接问题。

7、车站与区间的衔接


      高架线路是由区间桥梁和高架车站两部分相互连接,从而形成一套完整的高架体系。

      车站与区间的衔接部位通常有两种做法:

a.在车站端部单独设置区间桥墩,区间墩同车站边墩双柱共用同一承台基础。
b.与车站相邻的一孔区间桥梁直接同车站共用边墩。


      是否独立设柱应该依据区间桥梁传递给车站的荷载大小,规划需要,区间是否配线等诸多因素确定。
      在共用边墩设计中,一般区间接车站跨度不宜大于35m。同时在将固定支座设置在区间端,将滑动支座设置在车站端。车站在整体计算时将区间支座竖向反力引入边墩盖梁。也可以将两边区间一跨桥梁建入车站整体模型。因区间箱梁或者U梁同车站内部轨道层存在高差,所以边墩盖梁可以采用高低盖梁的形式进行设计。虽然增加了一些设计难度,但考虑到线路美观,和施工造价等问题。建议在条件容许下尽量采用共用边墩设计。

8、温度缝的设置


      郑州城郊铁路工程高架车站车辆采用6B编组,全长126m。按照混凝土结构设计规范中现浇框架结构超过55m需要设置温度缝。本车站126m需设置两道温度缝。

      但是根据地铁设计规范建筑设计要求车站需在站厅层和站台层之间布置两道上下楼扶梯。并且根据规范要求楼扶梯不得跨缝。为满足建筑对车站布置的需求,最终结构只能在车站中心布置了温度缝。如图3-5所示:
 
 

图3-5 车站整体立面图

      温度缝两端车站长度63m均超过规范55m要求。经过计算,当墩柱不进行抗震设计时,对边墩柱起控制作用的弯矩,在横向主要是活载偏载时的工况,在纵向主要是混凝土收缩和温度影响时的工况。温度应力是车站边墩纵向弯矩的主要来源。

      正常情况下边墩竖向力30000KN,6桩承台,每根桩基反力为5000KN按整体模型加载计算,在温度应力影响下边墩桩基受力一排变为7000KN左右,一排变为3000KN左右。并且由于温度力包括升温和降温两个工况。致使边墩桩基设计均按7000KN反力控制。

      高架车站设计中因充分重视温度缝的设置,最好在结构设置之初同建筑专业一起,考虑温度缝布置和建筑功能设置,找到一个合理的方案。如不能满足规范对长度的要求,则计算中应根据整体模型计算温度力的影响,并加以设计。同时在超长部分设置1~2到后浇带,尽量减少混凝土收缩和温度的影响。

9、抗震性能设计


      地铁高架车站属于重点设防类(乙类)、100年设计使用年限的重要性建筑。特别是独柱高架车站。底层独柱为整个结构体系最薄弱环节。目前国内对“桥建合一”的高架车站抗震设防目标没有明确的规定。

a.建筑抗震设计规范中规定的抗震设防目标:

当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时,主体结构不受损坏或不需修理可继续使用(小震不坏);
当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时,可能发生损坏,但经一般性修理仍可继续使用(中震可修);
当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏(大震不倒)。


      使用功能或其他方面有专门要求的建筑,当采用抗震性能化设计时,具有更具体或更高的抗震设防目标。

      当以提高抗震安全性为主时,结构构件对应于不同性能要求的承载力参考指标,可按下表的示例选用:

性能要求多遇地震设防地震罕遇地震
性能1完好,按常规设计完好,承载力按抗震等级调整地震效应的设计值复核基本完好,承载力按不计抗震等级调整地震效应的设计值复核
性能2完好,按常规设计基本完好,承载力按不计抗震等级调整地震效应的设计值复核轻~中等破坏,承载力按极限值复核
性能3完好,按常规设计轻微损坏,承载力按标准值复核中等破坏,承载力达到极限值后能维持稳定,降低少于5%
性能4完好,按常规设计轻~中等破坏,承载力按极限值复核不严重破坏,承载力达到极限值后基本维持稳定,降低少于10%
 表3-1  结构构件实现抗震性能要求的承载力参考指标示例
 

b.铁路工程抗震设计规范中规定的抗震设防目标:

按本规范进行抗震设计的铁路工程,应达到的抗震性能要求如下:

性能要求I:地震后不损坏或轻微损坏,能够保持其正常使用功能 ;结构处于弹性工作阶段;
性能要求Ⅱ:地震后可能损坏,经修补,短期内能恢复其正常使用功能;结构整体处于非弹性工作阶段;
性能要求Ⅲ:地震后可能产生较大破坏,但不出现整体倒塌,经抢修后可限速通车;结构处于弹塑性工作阶段。


      由于高架独柱站,为超限结构,笔者认为应按照较严格的设防目标进行控制:按照《建筑抗震设计规范》抗震性能需达到性能2;按照《铁路工程抗震设计规范》,抗震性能需达到性能要求Ⅱ。综上所述,独柱高架车站抗震设防目标需达到中震弹性。

      《公路桥梁抗震设计细则》第6.2.1条“钢筋混凝土墩柱桥梁,抗震设计时,墩柱宜作为延性构件设计。桥梁基础、盖梁、梁体和结点宜作为能力保护构件。墩柱的抗剪强度宜按能力保护原则设计。”

      高架独柱站为了避免构件在地震中的疲劳破坏,车站独柱应该按照延性构件进行设计,能达到性能要求Ⅱ,同时引入能力保护,对桥墩桩基,《公路桥梁抗震设计细则》进行能力保护计算。

10、其他


      根据区间工程筹划车站设计是否需要考虑架桥机、运梁车过站问题。如过站则轨道层板厚度应该加大,而独柱高架车站本身应尽量减少上部结构自重。楼板不宜太厚。根据工程实际情况建议轨道层楼板180~200mm厚度。

      按照耐久性规范北方除冰盐引起腐蚀需加大保护层厚度,车站上部框架内部部分是否按满足除冰盐腐蚀设置保护层厚度值得商榷。除冰盐雾化后能否进入敞口车站,进入多少。一般站台层,轨道层板厚度有限,按照除冰盐控制将增加许多不必要的厚度,加大了结构自重。

      按“建规”梁截面不小于柱截面的一半,独柱车站本身独柱尺寸比一般建筑结构柱尺寸要大很多,按规范执行,将在车站纵向跨中增加非常宽的一道梁,这样设计是否合理。

      按“建规”柱钢筋应该伸到梁顶,但是在车站主体独柱大悬臂结构中,如果独柱钢筋伸到梁顶,由于独柱钢筋横桥向两端配筋一般均很密集,而大悬臂盖梁均需张拉预应力,在跨中部分钢筋伸到盖梁顶会导致预应力波纹管无法穿过柱钢筋。并且大悬臂盖梁梁高均较高,柱钢筋伸入盖梁长度远远大于所需锚固长度的情况下是否还要伸入到梁顶。

      在独柱高架车站设计,尚有许多方面值得注意。以上诸多仅为独柱高架车站设计的主要方面,也可能有考虑欠妥的地方。希望能够为此类轨道交通高架车站的结构设计提供参考。

四、结论


      本文根据郑州城郊铁路工程独柱车站在设计过程中实际遇到的问题和难点,整合“建规”和“铁规”进行了研究和探讨,总结了一定的设计经验和结论,对该类结构的工程设计具有一定的参考价值。其深度和合理性尚待进一步完善和探讨。以上诸多仅为独柱高架车站设计的主要方面,也可能有考虑欠妥的地方。笔者认为,由于独柱高架车站需要采用“铁规”和“建规”两套不同的体系共同设计。主要容易出现问题的地方大多是两套体系中对结构设计理解的出发点不同和实际情况不同造成的。所以遇到问题多需要设计人员依据规范结合结构实体多进行思考和甄别。考虑到独柱车站结构的特殊性,因结合两套规范选取对结构设计,安全构造有利的方案和条款进行设计。
 
 
作者: 王华 北京城建设计发展集团股份有限公司    专业负责人   高级工程师

 
 
参考文献
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[12] 王华 浅谈地铁高架车站设计[J] 建筑工程技术与设计2014(9).
[13] 任磊,王华 郑州市城郊铁路工程独柱高架车站抗震分析[J] 都市快轨交通 2014,4:74~78.
[14] 安秉忠 地铁高架车站结构设计概要[J] 工业建筑2011,41.
[15] 郭建鹏 城市轨道交通“桥-建组合式”高架车站结构设计方法[J] 城市轨道交通研究2013(3).
[16] 游又能 桥建合一式高架车站设计在莞惠城际轨道交通中的应用研究 铁道标准设计 2012(8).
 
 
 

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