上海共和新路高架汶水路站结构
摘 要 通过对上海共和新路高架工程汶水路站结构设计主要特点的分析,着重介绍车站框架结构中预应力框架横梁、车站桥梁结构中预应力下盖梁、高架道路变宽度钢箱梁和基础的设计思路,为以后类似工程的设计提供参考。
关键词 一体化 高架车站 框架结构 桥梁结构 基础
1 概述
上海论文网上海共和新路高架工程是国内第一个集高架道路和轨道交通于一体的综合性交通工程,汶水路站是该工程中一座高架一体化的车站。虽然高架车站的设计在其它轨道交通线上已有了一定的经验,但是设计这种同时承受轨道交通、道路和民用建筑三种不同类型荷载的高架车站还是首次,而且该车站平面上处于汶水路立交范围内,高架道路桥面最宽处达46. 8m ,一定程度上更增加了设计的难度。
汶水路站站台宽度为20. 2 m ,长度150 m(列车六列编组) ,并考虑了远期站台长度延长至190 m 的可能(列车八列编组,现已实施) 。在汶水路南北两侧分别设两个站厅,车站站厅通过四座人行天桥分别与地面道路相连。
2 车站结构设计
2. 1 结构形式和设计特点
2. 1. 1 根据车站站厅、设备用房和高架道路各自结构的特点,分别选用框架和桥梁两种结构形式,结构之间设抗震缝。高架道路从地铁车站上方通过(见图1) 。
2. 1. 2 汶水路站设于路中,车站立柱只能设在宽度仅为10 m 的绿化带中,车站框架和高架桥墩均为双柱双悬臂结构。
2. 1. 3 高架道路处于汶水路立交范围内,桥面宽度变化大(26. 5～46. 8 m) 。为减轻桥墩下盖梁悬臂上的荷载和方便喇叭形桥梁结构的设计和施工,设计采用了钢箱梁结构。
2. 1. 4 根据建筑需要,站厅至站台的楼梯中间不设支点,为单跨简支结构,跨度达16 m ,且楼梯均支承在悬臂上,因此采用焊接工字钢梁以减轻结构自重。
2. 1. 5 基础同时承受轨道交通列车荷载和高架道路汽车荷载,不但存在较大的垂直力,水平力也不容忽视;而且受管线等因素的制约。因此采用«800 的钻孔灌注桩作为基础,选择⑨层作为桩基持力层,能同时满足承载力和沉降控制的要求。
2. 2 框架结构设计
根据建筑设计及地面道路布置,在汶水路南北两侧分别设两个站厅,站厅长度为40 m 和30 m。框架结构纵向跨度10 m 左右,横向柱距为8. 5 m ,悬臂长度5. 85 m。站厅框架结构包括半地下的设备用房及电缆夹层、站厅下夹层、站厅层、站台下夹层、站台层等5 层。
2. 2. 1 框架结构设计原则
(1) 框架结构的安全等级按“一级”要求设计,地《地下工程与隧道》2006 年第3 期— 13 —图2 框架结构横断面震设防烈度为7 度,框架抗震等级为二级。#p#分页标题#e#
(2) 对仅承受民用建筑荷载的构件按《混凝土结构设计规范》( GBJ 10 - 89) (下称《建规》) 进行承载能力极限状态计算及正常使用极限状态验算;对仅承受轨道交通荷载的轨道梁按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》( TB10002. 3 -99) (下称《铁路桥规》) 进行构件强度、刚度和裂缝宽度计算;对于框架横梁、柱等同时承受轨道交通荷载和民用建筑荷载的构件,除满足《建规》外还需用《铁路桥规》进行验算。
2. 2. 2 框架结构
采用PK2PM 系列程序对结构进行建模、空间有限元静力分析和结构抗震计算,将轨道交通水平力(无缝线路伸缩力、挠曲力、断轨力、制动力和列车横向摇摆力) 作为柱间荷载输入,除断轨力为偶然荷载外,其余均作为可变荷载,荷载组合参照《铁路桥规》进行。
2. 2. 3 预应力框架横梁
站厅层、站台下夹层框架横梁悬臂长度达5. 85m ,且荷载较大的自动扶梯、楼梯均建在该悬臂上。为控制裂缝和悬臂端的挠度,同时也为了缩小梁截面尺寸,该框架横梁采用部分预应力混凝土结构,预应力钢束采用高强度低松弛钢绞线。根据计算结果,混凝土最大拉应力小于4 Mpa ,裂缝宽度均控制在0. 1 mm 以内。
设计中考虑到在框架横梁的悬臂端头均设有纵梁,该节点处普通钢筋纵横交错,为保证施工质量,将锚头喇叭口放至纵梁外侧或锚在梁的下部。
2. 2. 4 轨道梁
框架部分的轨道梁采用与框架横梁刚接的带马蹄的连续T 梁,每根钢轨下设一片T 梁,梁高为0. 9m ,中间不设横隔板,与简支形式的轨道梁相比,降低了轨面标高。
由于轨道梁与框架横梁刚接,因此,该连续梁约束采用转角弹性约束,支座的约束刚度根据框架的空间扭转分析求得。
2. 3 桥梁结构设计
对于不设站厅和设备用房的部位,采用桥梁结构,形式更简捷,与两端区间和谐统一。桥墩设计为双层结构,下盖梁支承轨道梁、站台梁及上立柱;上立柱、上盖梁支承高架道路钢箱梁(仅个别桥墩设) 。
对下盖梁以上的高架道路结构采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(J TJ 023 -85) 和《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(J TJ 025- 86) (上述两规范下称《公路桥规》) 进行构件强度和刚度的设计;对下盖梁、下立柱采用《铁路桥规》计算,同时也要求满足《公路桥规》。
2. 3. 1 预应力下盖梁
由于受地面道路的限制,两下立柱的中心距离为8 m。为保证站台的有效宽度,上立柱设在站台外侧,因此上立柱只能建在下盖梁的悬臂上(见图3) 。上、下立柱间距离仅2. 8 m ,下盖梁高为3. 4 m ,属于深梁范畴,而且③、⑨、lv轴仅单侧有轨道梁、站台梁搁置于其上,荷载不对称。现有的预应力设计程序一般均把预应力钢束对梁的作用转变为等效竖向荷载,进行传统的杆件有限元计算,无法很准确的模拟出深梁的受力状况,也无法计算因荷载不对称引起的应力,所以仅用此类程序进行计算是不够的。因此,在本设计中先采用常规铁路、公路桥梁预应力计算程序配束,然后再采用ANSYS 有限元分析程序对盖梁预应力束张拉及完整的加载过程进行有限元仿真计算,用线形块单元模拟混凝土盖梁,用一种抗拉、抗压、不抗弯的杆单元模拟预应力束。计算结果表明,盖梁横截面正应力相对于梁中心线分布不对称,因此对预应力钢束的数量和布置进行了调整,混凝土最大拉应力为1. 08 MPa ,满足部分预应力A类构件的要求。图4 为⑨轴盖梁的横断面图,预应力束布置相对于梁中心线为非对称。#p#分页标题#e#
2. 3. 2 高架道路钢箱梁
根据车站站厅建筑及跨越汶水路地面道路的要求,高架道路桥梁宽度为26. 5～46. 8 m ,是一个喇叭形的变宽段。采用两联连续钢箱梁(包括与车站相邻的两跨区间) :第一联长为(30 + 20 + 40 + 30) m ,宽度为26. 5～33. 5 m ,设12道腹板,腹板沿直线布置,宽度变化由箱梁悬臂调整;第二联长为(30 + 30 + 30) m ,宽度为33. 5～46. 8 m ,设14 道腹板,在喇叭口段,腹板呈放射状布置,箱梁悬臂长度保持不变。钢箱梁跨中梁高为1. 8 m ,中支点处梁高为2. 7 m ,设刚度较大的内横梁,因此桥墩不设盖梁。
由于钢箱梁宽跨比大,空间作用明显,剪滞效应不容忽视,因此本设计计算采用梁格法,用空间梁单元模拟实际结构。
2. 3. 3 轨道梁、站台梁
由于无站厅框架处均为20 m、30 m 的大跨度结构,轨道梁的选型主要考虑与区间建筑风格一致,因此采用了单箱单室的预应力混凝土箱梁,梁高为1. 9m。
考虑到梁内空间要作为电缆通道,同时利用轨道面和站台面之间1. 1 m的高差,站台梁设计成2. 5 m高的钢筋混凝土箱梁,梁内横隔板、端横梁均开1. 45m ×1. 45 m 的孔让电缆通过。
2. 4 基础设计
2. 4. 1 工程地质条件
根据详勘报告,车站处地层为正常沉积区,土层分布较为稳定,75 m 深度范围内按成因类型、土层结构及性状特征可划分为9 层。稳定地下水位埋深为0. 5～0. 7 m。场地属Ⅳ类场地,按地震裂度7 度设防。浅部③2 层为轻微液化。
2. 4. 2 基础选型和设计
通过对车站范围的地质条件及车站受力分析,可作为本站桩基持力层的土层有⑧2 层和⑨层。由于轨道交通对控制沉降要求较高,所以选择持力层条件较好的⑨层作为桩基持力层,桩基选用«800 钻孔灌注桩。
考虑到车站基础同时承受轨道交通列车荷载和高架道路汽车荷载,不但存在较大的垂直力,水平力也不容忽视。设计中用“m”法计算单桩承载力和桩内力,桩长64 m ,计算结果单桩承载力为2 700 kN。
车站站厅框架部分每柱下设一个承台,4～5 根桩。为提高框架结构的整体刚度,减小基础间不均匀沉降对框架结构的影响,承台间设基础连梁。
桥墩基础采用双柱下设一个承台的方式,使下盖梁不承受由于基础不均匀沉降产生的次内力。
2. 4. 3 基础沉降
上海论文网设计中除应控制沉降绝对值外,还须尽量减少相邻基础间的差异沉降。沉降计算时采用的柱底内力不计及地震荷载和风荷载,也不计及列车活荷载,依照上海市工程建设规范《地基基础设计规范》(DGJ 08 - 11 - 1999) 计算,基础最大沉降量为30mm ,相邻基础间最大差异沉降量为10 mm。
3 结语
3. 1 高架道路和轨道交通一体化的高架形式占用地面道路少,拆迁量小,可最大限度地节约工程投资,但这样的高架形式给车站的结构设计带来了一定的困难。#p#分页标题#e#
3. 2 根据使用功能,对于不同要求分别采用框架和桥梁两种结构形式,两种结构之间设抗震缝,结构受力明确,便于框架和桥梁两种结构按不同的规范进行抗震设计。
3. 3 对分别承受各种不同类型荷载的构件采用与之相适应的结构设计规范是合理的;对同时承受两种不同类型荷载的构件,要求同时满足两种规范,在目前没有合适的设计规范的情况下,对于保证结构的安全是完全必要的。
参考文献
1 忻鼎康,邓景纹,陆忠良等. 共和新路高架汶水路站桥墩下盖梁有限元仿真计算. 新世纪预应力学术研讨会论文集.
2 王凤元. 超常规异型连续钢箱梁设计实践. 城市道桥与防洪,2003 (1) :28～30.
