長江路站高架一體化結構設計
摘 要:在高架道路和高架地鐵的一體化車站結構設計中, 需要解決大跨度、大懸臂以及無現成設計規范可供指導等難題,介紹采取的設計原則、計算方法和技術措施。
1 工程概況
長江路站是上海市共和新路高架工程的高架車站,自上而下為寬25 m 的6 車道高架道路、地鐵1 號線北延伸的高架車站、6 快2 慢的地面道路, 是一座高架地鐵與高架道路相結合的一體化高架車站。
車站按6 節編組為150 m 長, 預留8 節編組190 m 長的建設條件( 后已實施), 站位呈南北向, 座落在長江西路與共和新路交叉口的路中, 該2 條道路都是50 m 寬的城市主干道。為保證地面道路的暢通, 車站中段的地面架空作為長江西路車行道, 站廳和管理設備用房設在南北兩端共和新路路中10 m 寬的綠化帶內, 底層和半地下室作設備用房, 夾層作站廳, 二層通長為站臺層, 頂部是25 m 寬的高架道路。
2 車站結構形式及特點
根據站址的特定條件和車站的功能要求,確定了以下的結構形式。
(1) 主結構采用二層雙柱二階雙懸臂現澆鋼筋混凝土框架結構, 第一階懸臂長5. 6 m , 第二階懸臂長4. 8 m , 結構模板橫剖面見圖1 。由于懸臂長、荷載大, 框架橫梁采用后張預應力鋼筋混凝土結構, 以提高結構的抗裂度。
(2) 縱向柱距自南向北:20 m + 40 m + 30 m + 30 m + 30 m , 第2 跨和第5 跨的底層和夾層內插10 m 跨度的小柱作站廳結構。由于跨度大, 又承受公路、地鐵和建筑結構等不同荷載,因而構件形式較多,分別為:頂層高架道路的承重結構采用預應力鋼筋混凝土T 梁, 簡支在主框架的上蓋梁上, 20 m 和30 m 跨的軌道梁和站臺梁都采用鋼筋混凝土箱梁,10 m 跨的軌道梁采用鋼筋混凝土板梁, 簡支在下蓋梁上, 其余10 m 跨度的 Set lineObj = ThisDrawing. ModelSpace . AddLine ( start Point , end2 Point) 式中, start Point 是指直線的起點坐標, endPoint 是指直線的終點坐標。
在開發過程中, 還可根據需要創建各類設計元素。如在6502 電氣集中的設計中需要將各類信號機、道岔、設備、組合定型圖等事先定義成塊, 再使用Add 方法添加對象到模型空間, 對象創建后, 可通過開發工具程序更改對象的圖層、顏色和線型等屬性; 也可添加文本以注釋圖形。當然, 在開發過程中會涉及到諸如數據庫技術、面向對象技術等關鍵技術, 限于篇幅, 不再贅述。
3 結論
鐵路信號計算機輔助設計具有準確率高、設計周期短、經濟效益明顯等諸多優點, 是未來信號設計的發展方向。而ActiveX Automation 技術的完全具有面向對象化編程的特點, 可以與AutoCAD 方便地集成, 而且開發工具的選擇也具有很大的靈活性。所以, 利用ActiveX Automation 技術對鐵路信號計算機輔助設計進行符合其自身特點的二次開發不僅是可能的, 而且具有深遠的意義。筆者在此僅提出了一個初步的框架和一種思路, 具體的開發過程尚需做更多的工作。參考文獻:
[1 ] 徐有政. 車站信號設計中的CAD 系統( Internet) .
[2 ] AutoCAD 二次開發工具綜述( Internet) .
6 4 鐵道標準設計
結構采用一般鋼筋混凝土梁、板結構。
(1) 人行天橋跨度為21 m , 結構高度受嚴格控制, 因而采用鋼結構。
(2) 由于高架軌道交通的沉降要求相當高,且站址范圍的地下管線復雜, 車站柱基礎采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基礎。
3 設計原則與計算方法
一體化車站上層為高架道路, 下層(中間) 為高架地鐵和車站,梁部結構各自獨立,受力是明確的;但是, 橋墩為超靜定二層框架,同時承受上層道路、下層地鐵以及車站荷載的作用。現有混凝土結構設計規范系列中,建筑結構規范采用以概率理論為基礎的極限狀態法,公路橋涵規范采用三系數表達的半概率極限狀態法,而軌道交通橋梁設計目前尚無規范。這樣,一體化車站橋墩采用何種規范進行設計, 是設計中首要解決的問題。同時,作用在一體化車站橋墩上的軌道交通長鋼軌附加力( 伸縮力、撓曲力、斷軌力) 的取值和組合,以及抗震設計都是必須解決的重大問題。為此,車站一體化橋墩各部位采用了不同的設計計算方法, 具體做法如下。
(1) 上蓋梁及上立柱, 主要承受上層高架道路荷載,受下層地鐵和車站荷載的影響較小,直接采用公路規范進行設計。
(2) 下蓋梁及下立柱同時承受上層道路、下層軌道交通及車站建筑荷載,分別采用公路、鐵路和建筑結構3 種規范進行設計,取其安全者,以確保結構安全。
(3) 站廳、站臺、夾層的框架縱梁和樓板采用建筑規范進行設計。
(4) 地震基本烈度按7 度考慮,并根據高架道路可能產生的幾種不同工況, 采用PKPM 計算程序進行多種結構抗震計算。地震力計算按振型分解反應譜法進行,按最不利情況進行結構配筋,并對砌體部分按規定設置了鋼筋混凝土圈梁和構造柱。
4 結構分析與計算
4 . 1 一體化車站橋墩結構分析與計算
一體化車站高架橋墩上層承受高架道路荷載, 下層承受地鐵和建筑荷載, 結構受力大, 錯綜復雜。因此,分析一體化車站高架橋墩所受的荷載及其合理組合是整個設計的第一步。
(1) 荷載分析
根據受力分析, 車站一體化橋墩除一般的鐵路和城市道路橋梁荷載外,還有建筑荷載、設備荷載和鋼軌縱向附加力。其中, 建筑設備荷載和鋼軌伸縮力T1 、鋼軌撓曲力T2 屬主力, 而鋼軌斷軌力則屬于特殊荷載, 因此,設計根據可能同時出現的永久荷載、可變荷載及偶然荷載進行組合,以求得結構的最不利工況。對于預應力蓋梁,還根據施工程序及預應力束的張拉順序,分階段分批進行組合。
(2) 結構分析計算模式
車站一體化橋墩受上述各種荷載的組合作用, 為空間受力狀態,為簡化計算, 可將其分為縱向、橫向及水平扭轉3 種受力狀態進行分析。縱向作用力按站內每個橋墩的縱向水平剛度及扭轉剛度進行分配。每個橋墩在豎向、橫向力的作用時按平面剛架進行分析,由豎向力偏心產生的影響又按偏心壓桿構件進行分析。同樣,蓋梁也按3 個受力狀態進行分析。最后, 進行3 個方向受力的合成,算出上下蓋梁和上下立柱的內力。
(3) 上蓋梁設計
按公路全預應力構件設計,計算時考慮溫度、混凝土收縮與徐變的影響。由于上蓋梁跨中彎矩與上立柱處負彎矩比例適中,預應力束按連續方式布置, 如圖2 所示。
但上蓋梁張拉順序有兩種情況, 一種預應力束在架梁前一次張拉完成,另一種分兩批張拉,架梁前張拉第一批, 架梁后張拉第二批。預應力筋采用ASTM16 90a 標準270 級<15. 24 高強度低松弛鋼絞線,標準強度 Ryb = 1 860 MPa , E= 1. 95 ×105MPa ,張拉控制應力σk = 0. 75 Ryb ,錨具為OVM 型群錨。
(4) 下蓋梁設計
下蓋梁雖高,但頂層高架道路橋墩全部作用在下蓋梁的雙懸臂上, 為防止裂縫, 也按全預應力構件設計;同時參考規范中有關深梁的構造要求,加密箍筋和水平鋼筋,并將下層縱向鋼筋全部穿過立柱伸至梁端, 預應力束布置如圖3 所示。
預應力束分3 批張拉, 混凝土達到設計強度后張拉第一批,澆筑上柱上蓋梁后張拉第二批,架設軌道梁和站臺梁后張拉第三批, 然后才架設上層道路梁和施工車站建筑結構。
(5) 站臺以下框架縱梁、樓板、次梁設計
采用PKPM 計算程序, 按普通鋼筋混凝土結構構件進行設計,對不同跨度的框架梁采用了不同的設計斷面,特別對橋梁結構與建筑連接處框架斷面進行適當調整。
(6) 墩柱配筋設計
墩柱配筋由縱向和橫向雙向偏心受壓控制設計。如果簡單地按縱向偏心受壓和橫向偏心受壓各自計算然后相加是錯誤的。然而, 目前公路和鐵路橋規上尚缺少有關矩形截面構件雙向偏心受壓的計算規定, 所以設計時按建規N . V . Nikitin 公式計算, 適當予以擴大,使配筋較為合理。
4. 2 人行天橋的結構分析與計算
長江路站共設4 座跨越共和新路的人行天橋, 橋面凈寬5 m , 沿共和新路一側各布置2 座3 m 寬人行扶梯和自動扶梯, 與地面相接。跨路的梁跨21 m , 懸臂伸長4. 5 m 。梁一端支承在由鋼柱和鋼蓋梁構成的橋墩上,另一端支承在站廳的預應力混凝土懸臂梁上。
(1) 鋼梁設計車站站廳面高程和天橋下機動車道凈高限制,天橋上部結構建筑高度僅有50 cm , 經研究, 將上承式全焊鋼板梁中間過渡為半穿下承式全焊鋼板梁, 鋼梁因此設計成S 形曲梁,見圖4 。
摘 要:在高架道路和高架地鐵的一體化車站結構設計中, 需要解決大跨度、大懸臂以及無現成設計規范可供指導等難題,介紹采取的設計原則、計算方法和技術措施。
1 工程概況
長江路站是上海市共和新路高架工程的高架車站,自上而下為寬25 m 的6 車道高架道路、地鐵1 號線北延伸的高架車站、6 快2 慢的地面道路, 是一座高架地鐵與高架道路相結合的一體化高架車站。
車站按6 節編組為150 m 長, 預留8 節編組190 m 長的建設條件( 后已實施), 站位呈南北向, 座落在長江西路與共和新路交叉口的路中, 該2 條道路都是50 m 寬的城市主干道。為保證地面道路的暢通, 車站中段的地面架空作為長江西路車行道, 站廳和管理設備用房設在南北兩端共和新路路中10 m 寬的綠化帶內, 底層和半地下室作設備用房, 夾層作站廳, 二層通長為站臺層, 頂部是25 m 寬的高架道路。
2 車站結構形式及特點
根據站址的特定條件和車站的功能要求,確定了以下的結構形式。
(1) 主結構采用二層雙柱二階雙懸臂現澆鋼筋混凝土框架結構, 第一階懸臂長5. 6 m , 第二階懸臂長4. 8 m , 結構模板橫剖面見圖1 。由于懸臂長、荷載大, 框架橫梁采用后張預應力鋼筋混凝土結構, 以提高結構的抗裂度。
(2) 縱向柱距自南向北:20 m + 40 m + 30 m + 30 m + 30 m , 第2 跨和第5 跨的底層和夾層內插10 m 跨度的小柱作站廳結構。由于跨度大, 又承受公路、地鐵和建筑結構等不同荷載,因而構件形式較多,分別為:頂層高架道路的承重結構采用預應力鋼筋混凝土T 梁, 簡支在主框架的上蓋梁上, 20 m 和30 m 跨的軌道梁和站臺梁都采用鋼筋混凝土箱梁,10 m 跨的軌道梁采用鋼筋混凝土板梁, 簡支在下蓋梁上, 其余10 m 跨度的 Set lineObj = ThisDrawing. ModelSpace . AddLine ( start Point , end2 Point) 式中, start Point 是指直線的起點坐標, endPoint 是指直線的終點坐標。
在開發過程中, 還可根據需要創建各類設計元素。如在6502 電氣集中的設計中需要將各類信號機、道岔、設備、組合定型圖等事先定義成塊, 再使用Add 方法添加對象到模型空間, 對象創建后, 可通過開發工具程序更改對象的圖層、顏色和線型等屬性; 也可添加文本以注釋圖形。當然, 在開發過程中會涉及到諸如數據庫技術、面向對象技術等關鍵技術, 限于篇幅, 不再贅述。
3 結論
鐵路信號計算機輔助設計具有準確率高、設計周期短、經濟效益明顯等諸多優點, 是未來信號設計的發展方向。而ActiveX Automation 技術的完全具有面向對象化編程的特點, 可以與AutoCAD 方便地集成, 而且開發工具的選擇也具有很大的靈活性。所以, 利用ActiveX Automation 技術對鐵路信號計算機輔助設計進行符合其自身特點的二次開發不僅是可能的, 而且具有深遠的意義。筆者在此僅提出了一個初步的框架和一種思路, 具體的開發過程尚需做更多的工作。參考文獻:
[1 ] 徐有政. 車站信號設計中的CAD 系統( Internet) .
[2 ] AutoCAD 二次開發工具綜述( Internet) .
6 4 鐵道標準設計
結構采用一般鋼筋混凝土梁、板結構。
(1) 人行天橋跨度為21 m , 結構高度受嚴格控制, 因而采用鋼結構。
(2) 由于高架軌道交通的沉降要求相當高,且站址范圍的地下管線復雜, 車站柱基礎采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基礎。
3 設計原則與計算方法
一體化車站上層為高架道路, 下層(中間) 為高架地鐵和車站,梁部結構各自獨立,受力是明確的;但是, 橋墩為超靜定二層框架,同時承受上層道路、下層地鐵以及車站荷載的作用。現有混凝土結構設計規范系列中,建筑結構規范采用以概率理論為基礎的極限狀態法,公路橋涵規范采用三系數表達的半概率極限狀態法,而軌道交通橋梁設計目前尚無規范。這樣,一體化車站橋墩采用何種規范進行設計, 是設計中首要解決的問題。同時,作用在一體化車站橋墩上的軌道交通長鋼軌附加力( 伸縮力、撓曲力、斷軌力) 的取值和組合,以及抗震設計都是必須解決的重大問題。為此,車站一體化橋墩各部位采用了不同的設計計算方法, 具體做法如下。
(1) 上蓋梁及上立柱, 主要承受上層高架道路荷載,受下層地鐵和車站荷載的影響較小,直接采用公路規范進行設計。
(2) 下蓋梁及下立柱同時承受上層道路、下層軌道交通及車站建筑荷載,分別采用公路、鐵路和建筑結構3 種規范進行設計,取其安全者,以確保結構安全。
(3) 站廳、站臺、夾層的框架縱梁和樓板采用建筑規范進行設計。
(4) 地震基本烈度按7 度考慮,并根據高架道路可能產生的幾種不同工況, 采用PKPM 計算程序進行多種結構抗震計算。地震力計算按振型分解反應譜法進行,按最不利情況進行結構配筋,并對砌體部分按規定設置了鋼筋混凝土圈梁和構造柱。
4 結構分析與計算
4 . 1 一體化車站橋墩結構分析與計算
一體化車站高架橋墩上層承受高架道路荷載, 下層承受地鐵和建筑荷載, 結構受力大, 錯綜復雜。因此,分析一體化車站高架橋墩所受的荷載及其合理組合是整個設計的第一步。
(1) 荷載分析
根據受力分析, 車站一體化橋墩除一般的鐵路和城市道路橋梁荷載外,還有建筑荷載、設備荷載和鋼軌縱向附加力。其中, 建筑設備荷載和鋼軌伸縮力T1 、鋼軌撓曲力T2 屬主力, 而鋼軌斷軌力則屬于特殊荷載, 因此,設計根據可能同時出現的永久荷載、可變荷載及偶然荷載進行組合,以求得結構的最不利工況。對于預應力蓋梁,還根據施工程序及預應力束的張拉順序,分階段分批進行組合。
(2) 結構分析計算模式
車站一體化橋墩受上述各種荷載的組合作用, 為空間受力狀態,為簡化計算, 可將其分為縱向、橫向及水平扭轉3 種受力狀態進行分析。縱向作用力按站內每個橋墩的縱向水平剛度及扭轉剛度進行分配。每個橋墩在豎向、橫向力的作用時按平面剛架進行分析,由豎向力偏心產生的影響又按偏心壓桿構件進行分析。同樣,蓋梁也按3 個受力狀態進行分析。最后, 進行3 個方向受力的合成,算出上下蓋梁和上下立柱的內力。
(3) 上蓋梁設計
按公路全預應力構件設計,計算時考慮溫度、混凝土收縮與徐變的影響。由于上蓋梁跨中彎矩與上立柱處負彎矩比例適中,預應力束按連續方式布置, 如圖2 所示。
但上蓋梁張拉順序有兩種情況, 一種預應力束在架梁前一次張拉完成,另一種分兩批張拉,架梁前張拉第一批, 架梁后張拉第二批。預應力筋采用ASTM16 90a 標準270 級<15. 24 高強度低松弛鋼絞線,標準強度 Ryb = 1 860 MPa , E= 1. 95 ×105MPa ,張拉控制應力σk = 0. 75 Ryb ,錨具為OVM 型群錨。
(4) 下蓋梁設計
下蓋梁雖高,但頂層高架道路橋墩全部作用在下蓋梁的雙懸臂上, 為防止裂縫, 也按全預應力構件設計;同時參考規范中有關深梁的構造要求,加密箍筋和水平鋼筋,并將下層縱向鋼筋全部穿過立柱伸至梁端, 預應力束布置如圖3 所示。
預應力束分3 批張拉, 混凝土達到設計強度后張拉第一批,澆筑上柱上蓋梁后張拉第二批,架設軌道梁和站臺梁后張拉第三批, 然后才架設上層道路梁和施工車站建筑結構。
(5) 站臺以下框架縱梁、樓板、次梁設計
采用PKPM 計算程序, 按普通鋼筋混凝土結構構件進行設計,對不同跨度的框架梁采用了不同的設計斷面,特別對橋梁結構與建筑連接處框架斷面進行適當調整。
(6) 墩柱配筋設計
墩柱配筋由縱向和橫向雙向偏心受壓控制設計。如果簡單地按縱向偏心受壓和橫向偏心受壓各自計算然后相加是錯誤的。然而, 目前公路和鐵路橋規上尚缺少有關矩形截面構件雙向偏心受壓的計算規定, 所以設計時按建規N . V . Nikitin 公式計算, 適當予以擴大,使配筋較為合理。
4. 2 人行天橋的結構分析與計算
長江路站共設4 座跨越共和新路的人行天橋, 橋面凈寬5 m , 沿共和新路一側各布置2 座3 m 寬人行扶梯和自動扶梯, 與地面相接。跨路的梁跨21 m , 懸臂伸長4. 5 m 。梁一端支承在由鋼柱和鋼蓋梁構成的橋墩上,另一端支承在站廳的預應力混凝土懸臂梁上。
(1) 鋼梁設計車站站廳面高程和天橋下機動車道凈高限制,天橋上部結構建筑高度僅有50 cm , 經研究, 將上承式全焊鋼板梁中間過渡為半穿下承式全焊鋼板梁, 鋼梁因此設計成S 形曲梁,見圖4 。
圖4 S 形曲梁示意(單位: mm)
根據有關文獻,S 形曲線半徑取8. 4 m , 使按曲梁計算與按直梁計算的結果接近。為保證鋼梁主梁的受壓翼緣穩定得到滿足, 橫梁間距取2. 5 m 。經計算, 鋼梁主梁最大剪應力考慮楔形影響時為123 MPa , 主梁上翼緣彎曲正應力考慮穩定時為118 MPa , 在人群活載作用下,主梁豎向最大撓度f= 17. 4 mm ,撓跨比為1/ 1150 , 鋼梁主跨豎向自振頻率為4. 2 Hz , 懸臂跨為
11. 8 Hz ,以上均滿足有關規范的各項要求。
(2) 雙排雙懸臂蓋梁的分析與計算為支承人行天橋,車站在軸之間各設置了1 組2 排Π 形剛架,2 排剛架蓋梁橫向相連呈井字形, 蓋梁懸臂長6. 5 m , 21 m 跨的人行天橋S 形鋼梁就固定在蓋梁的懸臂端。為保證結構安全可靠,特將剛架進行空間桿系受力分析,并用ANSYS 有限元分析軟件進行校核,由于懸臂長,又受建筑高度限制,故此方向蓋梁必須設預應力,預應力束布置見圖5 。分2 批張拉,第二批束在架梁后張拉,同時,懸臂端還按牛腿計算,局部加強鋼筋。
圖5 雙排雙懸臂蓋梁預應力束布置示意(單位: mm)
5 施工技術措施
在車站一體化結構施工中,由于預應力的作用,蓋梁會發生上下撓曲變形,而建筑結構又與蓋梁固接,故有可能引起樓面梁板產生裂縫。因此在施工過程中, 將相距較近、預應力蓋梁撓曲變形相差較大的兩蓋梁之間的樓面梁、板在1/ 3 處暫時斷開,待預應力蓋梁變形大部分結束后再二次灌筑混凝土連接。經過實踐證明效果良好,沒有引起梁板產生裂縫。
