地铁高架车站结构设计论述范文

《广东土木与建筑杂志》2014年第七期

1设计策略

1.1规范的采用“桥建合一”车站具有铁路与建筑结构的共同特点，由于两类结构执行不同的标准，结构荷载取值、材料强度取值及计算方法均有较大的区别，从而结构安全度有较大的差别，总的来讲铁路规范较建筑规范的安全度高很多，如果全部车站按铁路规范设计则会造成浪费，但如果车站全按建筑结构设计则不满足铁路规范会造成不安全，因而设计中对结构不同构件采用不同的规范。《铁路桥涵设计基本规范》（简称《铁规》）要求，车站高架结构中轨道梁、支承轨道梁的横梁、支承横梁的柱等构件及柱下基础的设计，均按现行铁路桥涵设计相关规范执行。设计中轨道层全部梁、站厅层转换梁（图2、3中截面带“D”的梁）以及柱基础均按《铁规》执行。其他构件设计按建筑设计规范（简称《建规》）执行。

1.2主体结构形式车站主体为混凝土结构，考虑其作为常用的结构形式，耐腐蚀性适用性均较好，施工质量易于得到保障，结构整体刚度好，容易满足机车作用下结构的变形和震动要求，2层转换大梁截面1400×1800，支座截面高2400，该大梁承担结构受力的转换功能，而且车站位于道路中央，该梁下要留足行车的空间（深圳要求5.5m净空），因此该梁设计为变截面形式，在视觉形态上也较好。1、2层采用型钢混凝土柱，截面1000×1000和700×700，其缘由是该结构形式可减小柱截面并营造轻盈的建筑效果。

1.3基础及屋面结构基础采用钻（冲）孔灌注桩，以中、微风化基岩作为持力层，承载力特征值5000kN，桩身配筋率0.8%，桩长22~40m，每柱下设计4根桩，共104根桩。采用桩基础是出于两方面的考虑，一是建筑场地地质条件一般，二是车站跨度大、载荷大。屋面为两铰拱钢架，属于轻钢屋面结构，双层压型钢板内置保温材料，钢架横向间距7.75m，每独立段内设3道屋面支撑和柱间支撑。

2结构计算

如前所述，针对不同的构件采用《铁规》和《建规》的规范标准，自然要采用不同的计算软件。

2.1《铁规》标准计算铁路规范采用的单一安全系数法，荷载取值、组合及材料取值见表1~3。

2.2按《铁规》的构件计算方法设计中采用MidasCivil进行计算，选用软件自带的“铁规”作为计算标准，并人工添加荷载组合。机车荷载简图如图4。这里有几点说明：①车辆荷载为A型车，8辆编组，满载按P=160kN，空载按P=80kN考虑，并考虑移动荷载的影响线作用；②列车荷载动力系数1＋m，其中m按《铁规》值的0.8倍取值；③列车纵向制动力、无缝线路纵向伸缩力、断轨力及挠曲力，按文献［4］相关规定采用；④列车横向摇摆力按相邻两节车4个车轴轴重的15%计，以集中力形式作用于轨顶面处；⑤桩基础持力层为中风化岩，考虑基础竖向位移较小，柱下基础位移按5mm考虑，沿柱纵向间隔布置；⑥桥墩汽车撞击力按顺桥向作用1000kN、横桥向作用500kN考虑，作用点在路面以上1.2m高处；⑦地震设防为乙类，建筑场地土为Ⅱ类，设防烈度7度，按8度设防采取抗震构造措施，因2层大梁有一定的悬挑，设计中考虑地震的竖向作用；⑧温度影响分为系统升降温和结构内部温差两类，考虑到深圳月平均气温的特点，将系统升降温取为20℃，由于结构上盖屋盖，不考虑结构内部温差；⑨顶部钢结构与下部混凝土结构分别计算，既简单明了又满足安全要求。机车移动荷载对结构设计影响最大，也是该处设计的重点，需要说明的是：当轨道梁与车站结构不整浇时，仅对轨道梁加载乘以动力系数的移动荷载，除竖向力外，依据不同的支座将一定比例的其他水平力分为主力、附加力、特殊荷载分别作用于车站结构上。当轨道梁与车站结构整浇时，需计入动力系数。本结构属于后者。

2.3按《建规》计算的内容本部分采用“PKPM_SATWE”软件计算，由于车站的非桥梁部分属于建筑结构，SATWE在业内认可度较高，对于转换结构和地震作用计算起来较方便。关于结构设计使用年限100年的考虑，笔者认为这应该体现在结构重要系数、荷载的取值以及混凝土的耐久性方面。基本荷载取值：基本风压0.9kNm2，地面粗糙度B类，站台板、站厅层人群荷载4.0kNm2，设备区活载8.0kNm2，楼梯活载3.5kNm2。对重型设备需根据设备实际重量、动力影响、安装运输途径等确定其大小和范围。机车移动荷载：按照等弯矩法输入等效均布荷载，根据笔者的反复计算，机车等效均布荷载为每条轨道梁上25kNm，按活荷载考虑，且考虑两侧机车同时作用，两种计算结果取大值作为设计配筋；这对于计算地震作用时的质点质量可能取大了，因为地震发生时机车同时在车站内的概率较小，且等效质量与等效弯矩算得的均布荷载也不同，笔者设计中取活荷载质量折减系数为0.5，也算对这部分因素的考虑。主要设计参数：结构重要系数g=1.1，建筑抗震设防为重点设防类，建筑场地土Ⅱ类，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组第1组，并按8度设防采取抗震构造措施，主体结构抗震等级为三级。

3重点问题处理

3.1结构的位移与刚度高架车站行走地铁，考虑行车安全，必然对结构构件的变形和刚度要求较高，笔者之所以把这个问题单独提出来，是因为设计者容易疏忽，造成安全隐患。⑴结构的竖向位移文献［1］要求，梁式桥跨结构竖向挠度允许值为f≤L2000（L为梁跨且L≤30m）。笔者有3点理解：①规范提出的结构“梁式桥跨结构”也适应于“桥建合一”结构，因此本结构中与行车相关的构件均按此要求控制位移；②构件跨度是指一个开间内的跨度，如图2中为15.5m；③结构挠度是指长期荷载作用考虑混凝土徐变和的变形，该值根据构件配筋率的不同变化范围在2~6倍之间，应该看到这个要求比《建规》高很多，许多梁因此增大截面。⑵水平刚度要求文献［1］对“无缝线路区间简支梁”桥墩墩顶水平线刚度提出K≥2.4×104kNm的要求。笔者理解，文献［1］虽然说的是“区间简支梁”，但作为高架车站也应遵守，这个要求对于整体性较好的车站结构来说不难满足要求。SATWE目前操作起来较困难，但Mi－das-Civil计算则较方便，方法是在2层各节点施加1kN力，结构水平变形的倒数就是结构刚度。⑶弹性水平变位限值文献［1］要求，高架结构墩顶弹性位移需满足：顺桥方向△≤25mm，横桥方向△≤20mm。结构的水平位移应是水平荷载作用才有意义，笔者认为取这个力为风荷载、列车摇摆力、制动力作用，可采用Midas-Civil计算。本结构△H=1813420=1745（H为道床板至基础顶高度），该值比框架结构的位移限值略高，不难满足要求。⑷横向振动频率要求文献［1］要求，梁式桥跨结构的横向自振频率应小于90L=9015.5=5.8（L为纵向柱距），设计中采用MIDAS软件验算。

3.2抗震性能分析本结构为单跨框架结构，属于《抗震规范》不应采用的结构形式，设计中专家评审时也提出了这一问题，因此进行结构的抗震性能分析是必要的。基于性能抗震设计量化了设计目标，在不增加太多造价的情况下提高结构的抗震性能。根据有关资料［7］并与超限审查专家组协商，确定采用表4的性能目标。根据分析结果，施工图设计中采取了以下抗震加强措施：①取MIDAS和PKPM的不利计算结果进行结构构件设计；②考虑到上部轻钢屋架对混凝土部分的影响，设计时增强竖向构件的配筋，增加竖向构件的横向约束条件和构件刚度；③针对薄弱部位采取比规范更严格的配筋构造，增强结构在罕遇地震作用的抗震能力。

4结束语

“桥建合一”高架地铁车站具有铁路与建筑结构的双重要求，文中通过工程实例介绍高架车站的不同形式及优缺点，需要考虑的问题、结构计算方法，以及刚度控制及抗震性能分析，对于同类结构具有一定的参考价值。

作者：赵立峰单位：深圳市市政设计研究院有限公司