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摘要：各国对地铁设计的标准不一，对于地铁高架站结构设计更是不尽相同，我国地铁设计规范规定,高架结构采用容许应力法设计。目前,结构计算程序均是基于极限概率理论的计算方法。就如何解决这方面的问题,以及高架车站结构设计的其他各主要方面,结合多年的工程实践,针对我国地铁高架车站结构设计的现状、存在的问题等,提出了一些抗震概念设计方法工程措施。
关键词：高架车站；移动荷载；抗震概念设计；延性設计；性能设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
引言
由于我国城市规划的特点，在我国城市修建地铁一般都建设地下线路，在国内轨道交通工程中,高架线路所占份额较小。但在市郊线或者一条线的市郊段,因其投资小、建设周期短、运营成本相对低廉而被广泛采用。通过对目前业界现状的分析,就高架车站结构设计中的一些主要考虑因素,阐述自己的观点,提出了一些抗震概念设计方法、工程措施等,以求抛砖引玉。
1 与结构形式有关的高架车站形式分类
结合城市总体规划、交通规划,城市轨道交通线路往往与城市道路采用相同的路由。根据高架线路与城市道路的相对关系,高架站分为路中车站、路侧车站(又依据车站岛式站台或侧式站台,存在各特征组合的子分类。因与主题无关,不再赘述)。其中路侧站,一般不需要通过设置盖梁承托上部结构使其下方保留城市道路空间,因而结构设计相对简单(对于建桥分离的结构,也可能存在通过设置盖梁承托站台层的结构)。以下所论述的问题,均以路中车站为对象。而对于路侧车站,或无关或同样,一目了然。
车站设置于路中或路侧,除了依据区域规划、线路敷设、周边环境等进行站位比选外,与结构专业有关的主要涉及这些因素:设防烈度、路中绿化带(隔离带)的宽度(“建-桥结合”的车站,不能为单柱,绿化带宽度有无条件设柱)等。
2 结构形式的选择
地铁规范规定,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。其他构件的设计应按现行建筑设计规范执行。也就是说,车站高架结构中,与承受列车移动荷载有关、无关的构件,分别按“桥规”、“建规”执行。因此,业内习惯上依据这两类构件组成的结构是否独立(两者间设置防震缝以分离),将车站结构型式分为“建-桥分离式”、“建-桥结合”式两类。而后者一般采用框架结构或框支框架结构,前者中的建筑结构一般采用框架结构。两类结构中,“建-桥结合”式用框架结构设计难度最大。
3 轨道梁与车站结构的关系
在“建-桥结合’的车站结构中,可以将简支轨道梁通过桥梁抗震橡胶支座置于横向框架梁上。也可以采用现浇轨道梁,与横向框架梁或盖梁整浇。前者受力分析简单,车站站台层层高较大,可更换支座,但在车站内部,更换往往因空间狭小而比较困难;后者轨道梁不需要支座,车站站台层层高较小。
4 区间桥梁与车站结构的关系
在“建-桥分离式”车站中,区间桥梁与车站范围桥梁其实是一个整体,只需在车站范围内将孔垮布置与车站柱网相协调。而在/建-桥结合0式车站中,可以将与车站相邻的一孔区间桥梁,置于车站横梁上,也可以在车站端部单独设置区间墩柱,形成车站、区间双柱共基础的形式。是否独立设柱,依据区间桥梁传给支座的荷载大小、规划要求、区间是否设置配线等诸多因素确定。一般当为双线、区间孔垮不大于35 m时,可不单独设置区间墩柱。
5 关于地震作用
地震作用反应谱,桥规和建规是完全一致的,尽管表形不同。铁规以动力放大系数β(单质点的最大绝对加速度与地面最大加速度的比值β)表述,称为动力系数反应谱曲线,或β谱曲线。而建规采用相对于重力加速度的单质点绝对最大加速度)))地震影响系数α表述,称为α反应谱。而两者之间存在关系:α=kβ,其中k为地面运动的最大加速度与重力加速度的比值。
6 关于场地土类别的划分
建筑抗震规范、铁路抗震规范[3-4]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25 m,并不得小于基础底面以下10 m。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20 m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。
7 “建-桥结合”高架站整体分析
轨道梁承受移动荷载,像MIDAS/CIVIL、SAP2000等程序可以加载移动荷载。
当轨道梁与车站结构不整浇时,计算则相对简单,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主力、附力、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,需计入乘以动力系数的移动荷载进行空间计算。此外需计入其它主力、附力、特殊荷载。现有程序,均需人工组合各工况荷载,计算较为繁杂。
需要强调的是,在复杂结构设计中,概念设计的意义远远大于结构受力分析。因此,需在概念设计的框架内进行受力分析、判定其结果的合理性。
8 结构的刚柔问题
某“建-桥结合’的路中高架站,岛式站台,现浇轨道梁与横向框架梁或整浇。抗震设防分类为乙类,设防烈度为8度,设计基本地震加速度012 g,设计地震分组第一组。按9度采取抗震措施,框架抗震等级为一级,框支框架抗震等级为特一级。
当站台层设置于最上层时,一般采用轻钢结构屋盖,视野开阔、结构轻盈。因屋盖钢结构很柔,纳入整体模型计算,第一周期会长很多,以结构柔的假象,致使计算地震力偏低很多,严重影响结构安全。不计入顶层屋盖的结构时,计算刚度大,地震力也相应增大。因此,对这类结构,屋盖不纳入整体模型计算,只按荷载输入,对柱脚的连接进行抗震验算。对规范的要求,需理解其实质、灵活应用。
另外,这类结构由于考虑汽车撞击力、承受列车荷载等承载原因,致使结构偏刚,甚至于自振周期接近场地土的卓越周期,地震反应甚大。如何提高结构,特别是底层柱的延性,尤为关键。因此底层柱可采用增设芯柱、加大柱体积配箍率等措施。
9 截面设计
如本文第二条,规范规定了需按桥规进行设计的构件。但是作为一个整体受力的空间框架结构或框支框架结构,荷载组合及截面设计采用容许应力法和极限概率理论,进行设计。“建-桥结合”的高架站采用建规进行设计,便于操作,也可以达到相应的安全储备。
若按照建规,抗震设防分类为乙类,属于框支框架,当设防烈度为8度,设计基本地震加速度012 g,设计地震分组第一组时,需按9度采取抗震措施,框架抗震等级为一级,框支框架抗震等级为特一级。照这些条件,进行截面设计时,与容许应力法比较,需进行如下调整:
1）材料分项系数,钢筋约1.1,混凝土约1.4。
2）荷载分项系数,永久荷载1.2或1.35;可变荷载1.4或1.3。
3）结构重要性系数V0,安全等级为一级时为1.1。
4）内力调整系数,以底层柱为例,一级框架结构的底层柱下端截面组合的弯矩设计值,乘以增大系数1.5,而柱剪力再按调整后的弯矩基础上再按照强剪弱弯的原则,再乘以增大系数,一级取1.4。而特一级时柱端弯矩、剪力再增大20%。
通过简单的系数比较可知:极限概率理论中通过荷载分项系数、材料分项系数、一级或特一级内力调整、底层柱内力调整等,可以达到相应的安全储备(笔者曾在某设防烈度为8度,设计基本地震加速度012 g,设计地震分组第一组地区,进行过高架站分析、比较,具有相似的结论)。
结束语
高架站设计,尚有许多方面值得注意。建议车道板厚度不小于300 mm,采用双层双向配筋;根据区间工程筹划,需要考虑架桥机、运梁车过站工况的方案必选,也可采取临时支撑措施;北方地区除冰盐引起的腐蚀问题在耐久性设计时需特别注意;基础的不均匀沉降及次内力的影响,结构很难承受,一般建议在基础设计时,使其满足不产生不均匀沉降,以简化设计,尽管基础设计增加投资,但对于整体投资、结构安全,肯定是有利的。
参考文献
[1] GB 50157-2003 地铁设计规范[S].
[2] GB 50157-(2009年10月征求意见稿,电子文件) 地铁设计规范[S].
[3] GB 50011-2001(2008年版) 建筑抗震设计规范[S].
[4] GB 50111-2006(2009年版) 铁路工程抗震设计规范[S].
[5] TB 1000211-2005 铁路桥涵设计基本规范[S].
[6] TB 1000213-2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].
[7] GB 50223-2008 建筑工程抗震设防分类标准[S].
关键词：高架车站；移动荷载；抗震概念设计；延性設计；性能设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
引言
由于我国城市规划的特点，在我国城市修建地铁一般都建设地下线路，在国内轨道交通工程中,高架线路所占份额较小。但在市郊线或者一条线的市郊段,因其投资小、建设周期短、运营成本相对低廉而被广泛采用。通过对目前业界现状的分析,就高架车站结构设计中的一些主要考虑因素,阐述自己的观点,提出了一些抗震概念设计方法、工程措施等,以求抛砖引玉。
1 与结构形式有关的高架车站形式分类
结合城市总体规划、交通规划,城市轨道交通线路往往与城市道路采用相同的路由。根据高架线路与城市道路的相对关系,高架站分为路中车站、路侧车站(又依据车站岛式站台或侧式站台,存在各特征组合的子分类。因与主题无关,不再赘述)。其中路侧站,一般不需要通过设置盖梁承托上部结构使其下方保留城市道路空间,因而结构设计相对简单(对于建桥分离的结构,也可能存在通过设置盖梁承托站台层的结构)。以下所论述的问题,均以路中车站为对象。而对于路侧车站,或无关或同样,一目了然。
车站设置于路中或路侧,除了依据区域规划、线路敷设、周边环境等进行站位比选外,与结构专业有关的主要涉及这些因素:设防烈度、路中绿化带(隔离带)的宽度(“建-桥结合”的车站,不能为单柱,绿化带宽度有无条件设柱)等。
2 结构形式的选择
地铁规范规定,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。其他构件的设计应按现行建筑设计规范执行。也就是说,车站高架结构中,与承受列车移动荷载有关、无关的构件,分别按“桥规”、“建规”执行。因此,业内习惯上依据这两类构件组成的结构是否独立(两者间设置防震缝以分离),将车站结构型式分为“建-桥分离式”、“建-桥结合”式两类。而后者一般采用框架结构或框支框架结构,前者中的建筑结构一般采用框架结构。两类结构中,“建-桥结合”式用框架结构设计难度最大。
3 轨道梁与车站结构的关系
在“建-桥结合’的车站结构中,可以将简支轨道梁通过桥梁抗震橡胶支座置于横向框架梁上。也可以采用现浇轨道梁,与横向框架梁或盖梁整浇。前者受力分析简单,车站站台层层高较大,可更换支座,但在车站内部,更换往往因空间狭小而比较困难;后者轨道梁不需要支座,车站站台层层高较小。
4 区间桥梁与车站结构的关系
在“建-桥分离式”车站中,区间桥梁与车站范围桥梁其实是一个整体,只需在车站范围内将孔垮布置与车站柱网相协调。而在/建-桥结合0式车站中,可以将与车站相邻的一孔区间桥梁,置于车站横梁上,也可以在车站端部单独设置区间墩柱,形成车站、区间双柱共基础的形式。是否独立设柱,依据区间桥梁传给支座的荷载大小、规划要求、区间是否设置配线等诸多因素确定。一般当为双线、区间孔垮不大于35 m时,可不单独设置区间墩柱。
5 关于地震作用
地震作用反应谱,桥规和建规是完全一致的,尽管表形不同。铁规以动力放大系数β(单质点的最大绝对加速度与地面最大加速度的比值β)表述,称为动力系数反应谱曲线,或β谱曲线。而建规采用相对于重力加速度的单质点绝对最大加速度)))地震影响系数α表述,称为α反应谱。而两者之间存在关系:α=kβ,其中k为地面运动的最大加速度与重力加速度的比值。
6 关于场地土类别的划分
建筑抗震规范、铁路抗震规范[3-4]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25 m,并不得小于基础底面以下10 m。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20 m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。
7 “建-桥结合”高架站整体分析
轨道梁承受移动荷载,像MIDAS/CIVIL、SAP2000等程序可以加载移动荷载。
当轨道梁与车站结构不整浇时,计算则相对简单,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主力、附力、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,需计入乘以动力系数的移动荷载进行空间计算。此外需计入其它主力、附力、特殊荷载。现有程序,均需人工组合各工况荷载,计算较为繁杂。
需要强调的是,在复杂结构设计中,概念设计的意义远远大于结构受力分析。因此,需在概念设计的框架内进行受力分析、判定其结果的合理性。
8 结构的刚柔问题
某“建-桥结合’的路中高架站,岛式站台,现浇轨道梁与横向框架梁或整浇。抗震设防分类为乙类,设防烈度为8度,设计基本地震加速度012 g,设计地震分组第一组。按9度采取抗震措施,框架抗震等级为一级,框支框架抗震等级为特一级。
当站台层设置于最上层时,一般采用轻钢结构屋盖,视野开阔、结构轻盈。因屋盖钢结构很柔,纳入整体模型计算,第一周期会长很多,以结构柔的假象,致使计算地震力偏低很多,严重影响结构安全。不计入顶层屋盖的结构时,计算刚度大,地震力也相应增大。因此,对这类结构,屋盖不纳入整体模型计算,只按荷载输入,对柱脚的连接进行抗震验算。对规范的要求,需理解其实质、灵活应用。
另外,这类结构由于考虑汽车撞击力、承受列车荷载等承载原因,致使结构偏刚,甚至于自振周期接近场地土的卓越周期,地震反应甚大。如何提高结构,特别是底层柱的延性,尤为关键。因此底层柱可采用增设芯柱、加大柱体积配箍率等措施。
9 截面设计
如本文第二条,规范规定了需按桥规进行设计的构件。但是作为一个整体受力的空间框架结构或框支框架结构,荷载组合及截面设计采用容许应力法和极限概率理论,进行设计。“建-桥结合”的高架站采用建规进行设计,便于操作,也可以达到相应的安全储备。
若按照建规,抗震设防分类为乙类,属于框支框架,当设防烈度为8度,设计基本地震加速度012 g,设计地震分组第一组时,需按9度采取抗震措施,框架抗震等级为一级,框支框架抗震等级为特一级。照这些条件,进行截面设计时,与容许应力法比较,需进行如下调整:
1）材料分项系数,钢筋约1.1,混凝土约1.4。
2）荷载分项系数,永久荷载1.2或1.35;可变荷载1.4或1.3。
3）结构重要性系数V0,安全等级为一级时为1.1。
4）内力调整系数,以底层柱为例,一级框架结构的底层柱下端截面组合的弯矩设计值,乘以增大系数1.5,而柱剪力再按调整后的弯矩基础上再按照强剪弱弯的原则,再乘以增大系数,一级取1.4。而特一级时柱端弯矩、剪力再增大20%。
通过简单的系数比较可知:极限概率理论中通过荷载分项系数、材料分项系数、一级或特一级内力调整、底层柱内力调整等,可以达到相应的安全储备(笔者曾在某设防烈度为8度,设计基本地震加速度012 g,设计地震分组第一组地区,进行过高架站分析、比较,具有相似的结论)。
结束语
高架站设计,尚有许多方面值得注意。建议车道板厚度不小于300 mm,采用双层双向配筋;根据区间工程筹划,需要考虑架桥机、运梁车过站工况的方案必选,也可采取临时支撑措施;北方地区除冰盐引起的腐蚀问题在耐久性设计时需特别注意;基础的不均匀沉降及次内力的影响,结构很难承受,一般建议在基础设计时,使其满足不产生不均匀沉降,以简化设计,尽管基础设计增加投资,但对于整体投资、结构安全,肯定是有利的。
参考文献
[1] GB 50157-2003 地铁设计规范[S].
[2] GB 50157-(2009年10月征求意见稿,电子文件) 地铁设计规范[S].
[3] GB 50011-2001(2008年版) 建筑抗震设计规范[S].
[4] GB 50111-2006(2009年版) 铁路工程抗震设计规范[S].
[5] TB 1000211-2005 铁路桥涵设计基本规范[S].
[6] TB 1000213-2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].
[7] GB 50223-2008 建筑工程抗震设防分类标准[S].