【提要】介紹城市軌道交通幾種高架車站的結(jié)構(gòu)形式及其適用條件,評(píng)述減小高架車站振動(dòng)和基礎(chǔ)沉降的結(jié)構(gòu)措施。
【關(guān)鍵詞】城市軌道交通 高架車站 結(jié)構(gòu)研究
1 前言
我國城市軌道交通建設(shè)正面臨大發(fā)展的機(jī)遇。城市軌道交通體系按走行方式劃分為地面、地下和高架三種。當(dāng)前城市軌道交通建設(shè)出現(xiàn)了線路高架化趨勢,使高架車站應(yīng)運(yùn)而生。目前上海正在修建我國第一條高架輕軌線“ 明珠線”,在全部19 個(gè)車站中,高架車站占16 個(gè)。高架車站屬地上高架結(jié)構(gòu),軌道列車運(yùn)行于結(jié)構(gòu)最上層。高架車站既不是單一的房屋結(jié)構(gòu), 也不是單一的橋梁結(jié)構(gòu),而是橋梁和房建融合在一起的結(jié)構(gòu)體系。作為一種新的結(jié)構(gòu)形式, 高架車站的結(jié)構(gòu)特性有待進(jìn)行深入的研究。本文就高架車站結(jié)構(gòu)的三個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行初步分析和探討。
2 結(jié)構(gòu)形式和比選
國內(nèi)外高架車站一般為2～4 層,站臺(tái)層位于結(jié)構(gòu)最上層,與區(qū)間高架橋等高。一般采用現(xiàn)澆或預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),優(yōu)先采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。常見的結(jié)構(gòu)形式有三種。
2.1 空間框架結(jié)構(gòu)體系
該結(jié)構(gòu)屬橋梁、房建結(jié)合方案(見圖1) 。高架站先形成空間框架結(jié)構(gòu),再在其上形成連續(xù)板梁。該結(jié)構(gòu)體系受力合理,結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性好。
高架車站的荷載與房屋建筑一般所受荷載完全不同,活載占的比重大且受載點(diǎn)不斷變化。框架結(jié)構(gòu)受載不均勻,易造成基礎(chǔ)的不均勻沉降,特別是在地質(zhì)條件不好的地段。一旦發(fā)生基礎(chǔ)不均勻沉降將損壞結(jié)構(gòu),而且修復(fù)困難。
圖1 空間框架式車站結(jié)構(gòu)
當(dāng)列車以一定速度通過高架車站時(shí),高架車站產(chǎn)生振動(dòng)。框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性一般比橋梁結(jié)構(gòu)差,因此高架車站的振動(dòng)控制成為結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。
南京地鐵南北1 號(hào)線工程共有5 個(gè)高架車站,均采用空間框架結(jié)構(gòu)體系。框架橫向?yàn)槿?縱向柱距為8～12 m 。行車道梁采用鋼筋混凝土板梁,簡支或連續(xù)支承于框架橫梁上。
2.2 橋梁結(jié)構(gòu)體系
屬于橋建結(jié)合方案。高架站先形成橋梁結(jié)構(gòu)(梁、墩柱、基礎(chǔ)),再在橋上布置站臺(tái)(見圖2) 。
圖2 橋梁式車站結(jié)構(gòu)(箱梁, Y 形墩)
橋跨結(jié)構(gòu)可選擇的斷面形式有箱梁、T 形梁、板梁和槽形梁等。箱梁截面抗扭剛度大,整體受力性能和動(dòng)力穩(wěn)定性好,正在規(guī)劃的廣州地鐵2 號(hào)線高架車站擬采用這種形式。T 形梁剛度大,材料用量省,還可采用預(yù)制吊裝法施工,宜優(yōu)先采用。
墩柱常用的結(jié)構(gòu)形式有T 形墩、雙柱墩、V 形墩和Y 形墩。在高架車站中的墩柱應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,在軌道列車作用下應(yīng)避免產(chǎn)生大位移。
2.3 框架+ 橋梁結(jié)構(gòu)體系
屬于橋建分離方案(見圖3) 。主體結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分:車站建筑和高架橋。車站建筑包在高架橋之外,高架橋從房屋建筑中穿過,二者在結(jié)構(gòu)上完全分開,受力明確,傳力簡潔。
車站建筑和高架橋受力自成系統(tǒng),可防止列車運(yùn)行對車站的不利影響,基礎(chǔ)的不均勻沉降和車站建筑的振動(dòng)問題可得到解決。“ 明珠線”部分高架車站采用了這種結(jié)構(gòu)形式。
2.4 結(jié)構(gòu)形式的選擇
從使用功能上看,空間框架結(jié)構(gòu)體系和框架+ 橋梁結(jié)構(gòu)體系適用于大中型車站;橋梁結(jié)構(gòu)體系適用于小型車站和中間站。就大型車站而言,從結(jié)構(gòu)性能上對比,我們認(rèn)為應(yīng)優(yōu)先采用框架+ 橋梁結(jié)構(gòu)體系,理由為:
(1) 可解決高架車站最突出的力學(xué)問題,即列車動(dòng)力荷載對車站房屋建筑的不利影響。該結(jié)構(gòu)體系把車站建筑和高架橋分離成兩個(gè)完全獨(dú)立的力學(xué)系統(tǒng),受力及傳力明確簡潔,可解決車站振動(dòng)控制和基礎(chǔ)沉降控制這兩個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工中的難題。
(2) 可發(fā)揮橋梁結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)各自的特點(diǎn)和優(yōu)越性。高架橋適于承受列車快速移動(dòng)荷載,框架結(jié)構(gòu)在各類車站站房中廣泛采用,給車站的功能布置和使用帶來方便。框架+ 橋梁結(jié)構(gòu)體系發(fā)揮了二者的優(yōu)點(diǎn)。
(3) 高架車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大為簡化。高架橋和車站建筑可以依據(jù)現(xiàn)行的國家規(guī)范,分別進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)計(jì)算。
圖3 框架+ 橋梁式車站結(jié)構(gòu)
有人認(rèn)為該結(jié)構(gòu)體系切斷了框架縱橫梁的聯(lián)系,削弱了車站建筑的整體性,需增加柱網(wǎng)。我們認(rèn)為,只要適當(dāng)調(diào)整高架橋墩柱和房建框架柱的相對位置,這個(gè)問題不難解決(見圖4) 。
圖4 框架+ 橋梁式車站梁柱布置示意—
而且,框架橫向既可以是四柱三跨,也可以是三柱二跨,不受高架橋的影響。
3 振動(dòng)控制
高架車站必須通過減振措施來減小走行部分對車站主體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響。橡膠支座的運(yùn)用對高架車站的振動(dòng)控制效果明顯。以上海“明珠線”某框架式車站為例,框架上面采用預(yù)應(yīng)力混凝土低高度連續(xù)板梁,板梁下設(shè)板式橡膠支座。高架橋上荷載通過支座傳遞至站房結(jié)構(gòu)的中立柱和框架橫梁上。板梁單支撐傳力于車站中立柱上,雙支撐作用在框架橫梁上(如圖5) 。
圖5 高架車站橡膠支座布置示意圖
根據(jù)高架車站不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),動(dòng)載和靜荷載的大小等綜合因素,采用以下不同支座:
(1) 板式橡膠支座 最適用于縱向跨徑小, 動(dòng)靜載較小的車站。
(2) 四氟滑板式支座 適用于縱向跨徑大、位移量大的車站。
(3) 盆式支座 適用于動(dòng)靜荷載很大、位移量大、當(dāng)?shù)氐卣鹆叶炔怀^八度的車站。
(4) 定向支座或錨固式支座 適用于烈度為八度以上的地震區(qū)。
4 基礎(chǔ)沉降控制
位于軟土地區(qū)的高架車站,基礎(chǔ)沉降是一個(gè)突出的問題。國內(nèi)外工程實(shí)踐和理論研究表明:在軟土地基上,樁基礎(chǔ)是首選的基礎(chǔ)形式。
樁基可以將上部荷載有效地傳遞到壓縮性小的深層土層中去,以滿足上部結(jié)構(gòu)物對基礎(chǔ)承載力和變形的要求。樁基能有效地承受橫向水平荷載,其抗震及抗動(dòng)載性能好。
經(jīng)驗(yàn)表明,在設(shè)計(jì)中選擇合適的樁基持力層、以及樁徑、樁長、樁間距等參量,可以使各樁基的總沉降量大致相等。飽和粘土地基的沉降過程是一個(gè)固結(jié)沉降過程。各樁基礎(chǔ)在總沉降量相等的條件下,它們的沉降時(shí)程曲線基本相同,而且車站橫梁對各立柱的沉降能起調(diào)節(jié)作用。所以,各樁基礎(chǔ)在沉降過程中的沉降差,能被控制在很小的范圍內(nèi)。
南京地鐵高架車站的樁基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁,滿足了承載力和基礎(chǔ)沉降的要求。上海江灣鎮(zhèn)高架車站采用了錘擊高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC 樁),效果良好。在設(shè)計(jì)施工中應(yīng)嚴(yán)格控制各樁基礎(chǔ)間的沉降差,比如在驗(yàn)算某橫向框架兩對基礎(chǔ)時(shí)得到:中柱樁基礎(chǔ)的沉降量為9185 cm , 邊柱樁基礎(chǔ)為8194 cm , 沉降差為0191 cm , 確保了不均勻沉降差在1 cm 范圍以內(nèi),滿足了設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié)束語
目前在我國,高架車站的結(jié)構(gòu)研究是一個(gè)值得重視的課題,尤其對于橋梁、房建合一的車站結(jié)構(gòu),受力、傳力方式不甚明確。本文對高架車站結(jié)構(gòu)僅進(jìn)行了初步的分析和探索,今后對高架車站的結(jié)構(gòu)形態(tài)、靜動(dòng)力性能、抗震、疲勞、振動(dòng)和基礎(chǔ)沉降等問題還需深入研究。
