杭州東站線下工程結構設計

文功啟

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司橋梁處，武漢 430063)

1 工程概況

近年來伴隨著我國客運專線的發展，新型站房的設計理念發生了很大的變化。作為城市的綜合交通樞紐，按照以人為本的宗旨，直上型高架站房成為了設計的首選。上海虹橋站、南京南站以及西安站采用了建橋合一的結構形式，此種結構與軌道層以上的建筑相呼應，整體性好，且能充分利用空間布局，視覺簡潔通透，成為了近年來大型車站軌道層結構方案的首選。

杭州鐵路樞紐是“四縱四橫”客運網中滬昆快速客運通道和滬杭甬深沿海快速通道上的重要節點，同時也是長江三角洲城際鐵路網上的省會車站之一，在杭州綜合交通運輸體系中有舉足輕重的作用。站場范圍內有寧杭甬場、滬杭長場、浙贛改3個車場，共15臺30線(含正線)。車場之上設車站站房，車場下面設地下通道，通道下面為杭州地鐵1號、4號線車站及部分區間。

杭州東站線路采用直線平坡設計，均為有砟軌道，采用60 kg/m鋼軌;采用的設計活載除浙贛上、下繞行線采用“中－活載”外，其他如寧杭甬、滬杭長正線及各到發線均為鐵路“ZK活載”，地震抗震烈度為6度，按7度設防;結構使用年限為100年。站址所處地層主要為粉土、粉砂、粉質黏土、細砂，下伏基巖為凝灰質砂巖［1］。

2 結構構造設計

2.1 柱網布置

基于杭州東站規模大，空間布局復雜的特點，在結構選型與布置上要充分考慮站房、線路以及地鐵的影響，最終確定線下工程主體結構采用建橋合一的結構體系，即型鋼混凝土(SRC)縱橫梁格構結構。其中，寧杭(78線)、滬杭(1920線)及浙贛繞行(2829線)正線采用獨立的梁式橋方案，以減少正線列車通過對結構動力性能的影響。

縱橫梁格構體系順線路方向跨度為(21.7+21.7+24.8+21.7+21.7)m，柱縱向中心跨度111.6 m，柱橫向(C－Q柱)寬330.1 m。軸編號為數字11～16。到發線橫向采用“大柱網”布置，即取消一般站臺梁下立柱，橫向跨度21.5～25.5 m，軸編號由字母C～Q組成。其中，C軸到D軸(基本站臺處)的跨度25.5 m，P軸到浙贛繞行線跨度為26.5 m，浙贛繞行線到Q軸為20.05 m，其他均為21.5 m。滬杭正線處的柱網在27線附近考慮下地鐵樓梯口的布置作了局部調整。在E、H、N軸處設置了出租車通道，考慮通道寬度對邊柱位置進行了調整。圖1給出寧杭正線到滬杭正線間的柱網布置情況(13軸與14軸對稱)。

主橫梁的布置間距與跨度對應，在每兩主橫梁KL1間布置3根次橫梁KL2;縱梁ZL1位于到發線雙間中心，與主立柱相連，每根ZL1邊(一般相距4.8 m)布置2根次縱梁ZL2，保證列車靠停時結構受力的合理性。立柱、橫梁及縱梁交叉連接，在型鋼混凝土澆筑完成，與橋面板一起形成了空間格構體系，如圖2所示。

2.2 立柱構造

立柱為三向壓彎剪構件，為充分發揮立柱的承載力，到發線立柱采用了鋼管混凝土組合構件。為了建筑的美觀，除11與16軸的立柱采用方形柱外，12～15軸均采用圓形柱。與主縱、橫梁連接的主立柱直徑采用2.0 m。

在與縱橫梁連接的上、下翼緣中心處對應各設置橫隔板，板厚40 mm;在此2塊橫隔板之間設置12個豎向加勁肋，肋寬300 mm，環形布置。在通道面以上、梁底以下范圍內設置2塊厚36 mm的橫隔板。柱腳深埋入承臺，預埋深度4.2 m，并通過環向設置的4根牛腿保證柱與承臺間共同受力。在承臺一次澆筑線內設置預埋錨栓。柱腳設計要保證一定的預埋深度，錨栓及預埋底板的強度及穩定滿足相關要求，且柱周邊混凝土的抗壓強度在設計容許范圍內。

圖2 部分結構橫斷面(單位:cm)

2.3 縱橫梁構造

受通道凈空≥6 m的影響，梁高要盡可能地小，除滿足強度、疲勞的要求外，還要滿足消防及結構耐久性等要求。綜合考慮各種因素，縱、橫梁選用了型鋼混凝土組合構件。

以主縱梁為例，該型鋼－混凝土構件縱向位于軌行區的正中間，梁高在梁端為3.0 m，通過2.0 m過渡段，梁高漸變為2.5 m，梁寬1.8 m。型鋼翼緣板寬1.2 m，厚50 mm;腹板厚40 mm。梁外包混凝土上頂面與型鋼上翼緣頂距離130 mm，下底面距下翼緣底120 mm，混凝土中主筋φ25 mm，雙筋布置，在梁側面按構造要求設置φ16 mm縱向架立筋;箍筋φ16 mm，在梁端加密區間距100 mm，其他間距100～120 mm，橫斷面如圖3所示。

圖3 主縱梁典型橫斷面(單位:mm)

為增強鋼混結構共同受力，根據梁端水平剪力以及節點區負彎矩峰值的分布規律，在梁端4.5 m范圍內翼緣鋼板上布置了剪力釘，并滿足栓釘布置范圍不小于2倍柱高的構造要求。

2.4 梁柱節點構造［2］

受結構受力特點的影響，梁柱節點處有很大的雙向負彎矩，疲勞問題突出，應力集中現象明顯。梁柱節點特別是主立柱與主縱梁、主橫梁的連接節點的設計構造是本結構關鍵點之一。

節點鋼結構采用栓、焊連接的方式，即腹板采用高強螺栓連接，上、下翼緣采用焊接，此種構造的優點在于:(1)大大減少了現場焊接工作量，避開腹板較長的立焊縫，利于提高現場工效;(2)有利于型鋼混凝土構件節點區上翼緣鋼筋布置。在立柱上焊接外環板，板厚與縱、橫梁翼緣板相對應;在兩板環板之間設置豎向加勁板，板厚與縱、橫梁腹板對應。整個節點鋼結構部分在工廠加工，與立柱段整體加工并發送。

為保證節點受力的整體性，與型鋼－混凝土梁相對應，環柱周邊設置了混凝土外包，外包混凝土中設置2～3層環向鋼筋網，鋼筋網穿過型鋼的腹板。梁體主鋼筋在通過節點時，焊接在環向加強板上，板寬120 mm，厚50 mm，通過雙面角焊縫與塞焊的形式與翼緣板可靠連接。

2.5 施工方法

在基礎施工完成后，梁柱節點就位，泵送灌注鋼管混凝土，然后拼裝軌道層縱、橫梁，支架立模現澆橋面型鋼混凝土梁及橋面。由于橋面屬超長大面積結構，每隔40 m左右設計1道后澆帶，以減少溫度荷載作用的內力。

3 結構計算

3.1 主體結構靜力計算

目前國內針對新型“建橋合一”結構體系設計仍沒有統一的規范與標準可遵循，一般要求“雙控”，即同時滿足建筑相關規范要求，也要滿足鐵路相關規范要求。

建橋合一結構的主要受力特點:(1)由于構件承受較大的鐵路活載，大大增強了縱橫梁計算的復雜程度，荷載工況多，鋼結構尤其是節點處疲勞特征突出;(2)縱橫梁體系表現出較強的空間效應，結構之間相互影響。在杭州東站線下工程中，軌道層與上部雨棚建筑相連，通道立柱與地鐵結構相連，計算邊界條件復雜;(3)結構體系連續，溫度荷載的效應明顯。在本設計中，立柱溫度荷載引起的結構彎矩占總彎矩荷載的70%以上。

鑒于建橋合一結構的受力特點，利用有限元軟件Midas建立空間有限元模型，將軌上建筑結構，線下結構及地鐵、通道分別采用空間梁單元和空間板單元進行建模分析。樁－土相互作用采用群樁模擬進行，樁側采用彈性邊界，彈簧剛度采用“m”法計算，在樁底作剛性固定。

3.2 縱橫梁檢算

我國現行的型鋼混凝土設計規程主要有《鋼骨混凝土結構設計規程》(YB 9082—97)［1］和《型鋼混凝土組合結構技術規程》(JGJ 138—2001)［3-4］。文獻［5-8］介紹了國內關于型鋼混凝土計算現狀。

由于杭州東站線下工程為“建橋合一”體系。為了保證結構安全合理，在本工程中，對不同規范進行了比較計算，最后確定采用鐵路容許應力法對型鋼混凝土縱、橫梁進行承載力計算。文獻［9］詳細介紹了型鋼混凝土容許應力法的推導，并編制了相應的計算程序，適應鐵路荷載多工況的特點，對型鋼、混凝土及鋼筋作全面檢算。結合以上分析，對縱、橫梁型鋼混凝土組合構件的計算結果見表1。

表1 型鋼混凝土構件容許應力法檢算結果

3.3 節點檢算［10］

由于整體分析采用空間梁、板模型，其分析結果無法反映出局部受力狀況，而框架結構的立柱節點設計考慮的因素多，受力條件復雜，因此采用板殼單元和實體單元建立節點局部結構的有限元模型進行細部分析，提取節點局部應力分析結果和桿件應力結果，為桿件的設計提供依據就顯得十分重要。本次利用大型通用有限元軟件ANSYS對杭州東站典型立柱節點進行非線性計算，根據圣維南原理和縱橫梁剛架體系受力特點，計算了節點處鋼筋、型鋼，混凝土的應力。建立有限元模型如圖4、圖5所示。

圖4 縱橫梁混凝土、型鋼骨架和鋼筋模型

圖5 立柱混凝土、鋼管、加勁板和鋼筋模型

計算結果表明:縱橫梁混凝土最大壓應力為20 MPa;縱橫梁型鋼骨架最大Von-Mises應力為154 MPa;縱橫梁縱向受力鋼筋最大軸向應力為114 MPa;立柱混凝土最大軸向壓應力為13 MPa;立柱鋼管最大Von-Mises應力為179 MPa;節點上下加強環板最大Von－Mises應力為113 MPa，節點設計合理，安全性可以得到保證。

4 結語

本文對杭州東站線下工程總體設計進行闡述，詳細介紹了縱橫梁、立柱、節點的設計理念及構造措施，并采用有限元軟件對結構靜力、節點細部進行建模分析。結果顯示:杭州東站線下工程采用結構體系受力合理，構件受力滿足規范要求。該設計思路可為相似結構設計研究提供借鑒。目前杭州東站地下通道線下工程已施工完成。

［1］中鐵第四勘察設計院集團有限公司.改建鐵路杭州鐵路樞紐杭州東站擴建工程施工圖［R］.武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2010.

［2］李星榮，魏才昂，等.鋼結構連接節點設計手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2004.

［3］中華人民共和國國家發展和改革委員會.YB9082—2006 鋼骨混凝土結構設計規程［S］.北京:冶金工業出版社，2007.

［4］中國建筑研究設計院.JGJ138—2001 型鋼混凝土組合結構技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2001.

［5］趙國藩.高等鋼筋混凝土結構學［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［6］趙世春.鋼骨鋼筋混凝土結構基本受力行為的研究［D］.成都:西南交通大學，1993.

［7］趙世春.型鋼混凝土組合結構計算原理［M］.成都:西南交通大學出版社，2004.

［8］姜維山，趙世春.型鋼混凝土結構構件的研究［J］.鐵道科學與工程學報，2004，1(1):44-51.

［9］宋子威.型鋼混凝土偏心受壓構件強度計算方法［J］.鐵道標準設計，2012(4):54-56.

［10］李小珍.杭州東站立柱節點局部應力分析報告［R］.成都:西南交通大學，2010.