【提要】介紹城市軌道交通幾種高架車站的結構形式及其適用條件,評述減小高架車站振動和基礎沉降的結構措施。
【關鍵詞】城市軌道交通 高架車站 結構研究
1 前言
我國城市軌道交通建設正面臨大發展的機遇。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。當前城市軌道交通建設出現了線路高架化趨勢,使高架車站應運而生。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 個車站中,高架車站占16 個。高架車站屬地上高架結構,軌道列車運行于結構最上層。高架車站既不是單一的房屋結構, 也不是單一的橋梁結構,而是橋梁和房建融合在一起的結構體系。作為一種新的結構形式, 高架車站的結構特性有待進行深入的研究。本文就高架車站結構的三個關鍵問題進行初步分析和探討。
2 結構形式和比選
國內外高架車站一般為2～4 層,站臺層位于結構最上層,與區間高架橋等高。一般采用現澆或預制鋼筋混凝土結構,優先采用預應力混凝土結構。常見的結構形式有三種。
2.1 空間框架結構體系
該結構屬橋梁、房建結合方案(見圖1) 。高架站先形成空間框架結構,再在其上形成連續板梁。該結構體系受力合理,結構整體性和穩定性好。
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不斷變化。框架結構受載不均勻,易造成基礎的不均勻沉降,特別是在地質條件不好的地段。一旦發生基礎不均勻沉降將損壞結構,而且修復困難。
圖1 空間框架式車站結構
當列車以一定速度通過高架車站時,高架車站產生振動。框架結構的動力穩定性一般比橋梁結構差,因此高架車站的振動控制成為結構分析和設計的關鍵問題之一。
南京地鐵南北1 號線工程共有5 個高架車站,均采用空間框架結構體系。框架橫向為三柱二跨,縱向柱距為8～12 m 。行車道梁采用鋼筋混凝土板梁,簡支或連續支承于框架橫梁上。
2.2 橋梁結構體系
屬于橋建結合方案。高架站先形成橋梁結構(梁、墩柱、基礎),再在橋上布置站臺(見圖2) 。
圖2 橋梁式車站結構(箱梁, Y 形墩)
橋跨結構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,整體受力性能和動力穩定性好,正在規劃的廣州地鐵2 號線高架車站擬采用這種形式。T 形梁剛度大,材料用量省,還可采用預制吊裝法施工,宜優先采用。
墩柱常用的結構形式有T 形墩、雙柱墩、V 形墩和Y 形墩。在高架車站中的墩柱應具有足夠的強度和穩定性,在軌道列車作用下應避免產生大位移。
2.3 框架+ 橋梁結構體系
屬于橋建分離方案(見圖3) 。主體結構分為兩個部分: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,二者在結構上完全分開,受力明確,傳力簡潔。
車站建筑和高架橋受力自成系統,可防止列車運行對車站的不利影響,基礎的不均勻沉降和車站建筑的振動問題可得到解決。“ 明珠線”部分高架車站采用了這種結構形式。
2.4 結構形式的選擇
從使用功能上看,空間框架結構體系和框架+ 橋梁結構體系適用于大中型車站;橋梁結構體系適用于小型車站和中間站。就大型車站而言,從結構性能上對比,我們認為應優先采用框架+ 橋梁結構體系,理由為:
(1) 可解決高架車站最突出的力學問題,即列車動力荷載對車站房屋建筑的不利影響。該結構體系把車站建筑和高架橋分離成兩個完全獨立的力學系統,受力及傳力明確簡潔,可解決車站振動控制和基礎沉降控制這兩個結構設計施工中的難題。
(2) 可發揮橋梁結構和框架結構各自的特點和優越性。高架橋適于承受列車快速移動荷載,框架結構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+ 橋梁結構體系發揮了二者的優點。
(3) 高架車站的結構設計大為簡化。高架橋和車站建筑可以依據現行的國家規范,分別進行獨立的設計計算。
圖3 框架+ 橋梁式車站結構
有人認為該結構體系切斷了框架縱橫梁的聯系,削弱了車站建筑的整體性,需增加柱網。我們認為,只要適當調整高架橋墩柱和房建框架柱的相對位置,這個問題不難解決(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構的動力影響。橡膠支座的運用對高架車站的振動控制效果明顯。以上海“明珠線”某框架式車站為例,框架上面采用預應力混凝土低高度連續板梁,板梁下設板式橡膠支座。高架橋上荷載通過支座傳遞至站房結構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
根據高架車站不同的結構特點,動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 適用于動靜荷載很大、位移量大、當地地震烈度不超過八度的車站。
(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。
4 基礎沉降控制
位于軟土地區的高架車站,基礎沉降是一個突出的問題。國內外工程實踐和理論研究表明:在軟土地基上,樁基礎是首選的基礎形式。
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,以滿足上部結構物對基礎承載力和變形的要求。樁基能有效地承受橫向水平荷載,其抗震及抗動載性能好。
經驗表明,在設計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固結沉降過程。各樁基礎在總沉降量相等的條件下,它們的沉降時程曲線基本相同,而且車站橫梁對各立柱的沉降能起調節作用。所以,各樁基礎在沉降過程中的沉降差,能被控制在很小的范圍內。
南京地鐵高架車站的樁基礎均采用鉆孔灌注樁,滿足了承載力和基礎沉降的要求。上海江灣鎮高架車站采用了錘擊高強預應力混凝土管樁(PHC 樁),效果良好。在設計施工中應嚴格控制各樁基礎間的沉降差,比如在驗算某橫向框架兩對基礎時得到:中柱樁基礎的沉降量為9185 cm , 邊柱樁基礎為8194 cm , 沉降差為0191 cm , 確保了不均勻沉降差在1 cm 范圍以內,滿足了設計要求。
5 結束語
目前在我國,高架車站的結構研究是一個值得重視的課題,尤其對于橋梁、房建合一的車站結構,受力、傳力方式不甚明確。本文對高架車站結構僅進行了初步的分析和探索,今后對高架車站的結構形態、靜動力性能、抗震、疲勞、振動和基礎沉降等問題還需深入研究。
