無錫地鐵1號線路中高架車站結構設計

劉海鑫 李園園

無錫地鐵1號線路中高架車站結構設計

劉海鑫 李園園

文章以無錫地鐵1號線路中高架車站為例，對比分析了獨柱雙懸臂和雙柱雙懸臂結構型式的抗震性能和受力特點，介紹了“橋-建結合”車站的結構選型、荷載確定、結構分析和設計，闡述了路中“橋-建結合”高架車站結構設計的要點和經(jīng)驗。

地鐵；高架車站；橋-建結合；結構設計

1 工程概況

無錫地鐵1號線為南北向交通主干線，線路北起惠山新城堰橋站，南至太湖新城雪浪站，全長29.42 km，其中高架段長7.25 km，共設車站24座，高架車站5座。堰橋站位于惠山大道路中央綠化分隔帶中，根據(jù)總體布置堰橋站為路中3層側式車站，車站總長 120 m。車站頂層為站臺層，供列車通行和乘客候車，2層為站廳層，供旅客購票進站并兼作過街通道功能，底層懸挑部分下面是地面道路，落地區(qū)為車站設備用房。地下設電纜夾層，供通信、供電等電纜敷設。

2 高架車站結構方案比選

2.1 高架車站結構基本型式

從結構受力來看，高架車站既不是單一的房建結構，也不是單一的橋梁結構，而是一種橋梁和房建相結合的結構體系。在結構選型時根據(jù)框架橫梁與軌道梁的結合情況可將車站結構分為“橋-建分離”（區(qū)間橋梁與車站站房完全分開）和“橋-建結合”（軌道梁支撐于房屋結構的橫梁上）兩大類。

（1）“橋-建分離”車站。高架橋梁與車站站房二者在結構上完全分開。此類車站結構受力明確、結構構造簡單、行車對車站用房的振動小，但站廳層存在截面較大的橋墩，帶來建筑平面布局不靈活、車站內(nèi)設縫較多、施工協(xié)調困難。

（2）“橋-建結合”車站。軌道梁支撐于房屋結構的橫梁上，結合部設橡膠支座。該種車站結構墩柱根數(shù)少、建筑平面布局靈活、結構整體性好，但獨立設置的軌道梁會使建筑高度增加，結構計算較復雜。

2.2 車站結構方案比選

本車站為路中車站，線路位置和周邊建設條件決定了車站的基本特征：一是車站設置于城市道路中分帶，地面層需架空外挑，二是區(qū)間橋梁線間距難以擴大。結合車站布置型式、結構受力合理性等因素，綜合考慮本車站采用“橋-建結合”側式站臺結構型式。

根據(jù)GB50157-2003《地鐵設計規(guī)范》的規(guī)定：垂直線路方向落地柱的布設應結合路面道路交通等要求，采用雙柱或三柱型式，困難地段，也可采用獨柱型式?？紤]到本工程道路中分帶寬僅為8 m，所以分別對“橋-建結合”型式下的“獨柱雙懸臂”和“雙柱雙懸臂”結構方案建立三維空間有限元模型（圖1），對其受力情況和動力性能進行對比分析。由于車站多為空間框架結構，所以分析采用PKPM系列中的SATWE三維空間分析程序。分析中，車站按伸縮縫位置取獨立的結構單位進行分析，對結構樓面開孔、樓梯及站臺雨棚等附屬結構作了必要簡化。分析結果表明：

（1）“獨柱雙懸臂”方案，抗側剛度差，第2階振型就表現(xiàn)為扭轉，橫向缺少贅余度和多道抗震防線，結構抗震極為不利。橫向框架梁撓度超出規(guī)范限值，需采用特殊技術措施，施工復雜材料用量大，造價較高；

圖1 “橋-建結合”結構有限元模型

（2）“雙柱雙懸臂”方案，抗側剛度得到明顯增強，前2階振型均為平動，抗震性能有效改善。普通鋼筋混凝土結構施工方便，材料用量減少，造價適中。

對上述“獨柱雙懸臂”和“雙柱雙懸臂”2種方案，從結構經(jīng)濟性、施工難度、結構體系、抗震性能等多方面進行綜合比較（表1、2），最終確定選用“雙柱雙懸臂”方案。

表1 “橋-建結合”結構靜力性能和材料用量比較表

表2 “橋-建結合”結構動力性能比較表

3 車站結構總體設計和荷載確定

3.1 車站結構總體設計

車站結構總體布置應滿足車站的功能和使用要求。車站結構方案采用“橋-建結合”雙柱雙懸臂3層框架結構型式，結構框架橫向跨度5.6 m，兩側各懸挑7 m，縱向采用12 m柱距布置，車站總長120 m。車站總長超出GB50010-2011《混凝土結構設計規(guī)范》關于現(xiàn)澆式鋼筋混凝土框架結構伸縮縫最大間距的要求，為此，參照規(guī)范規(guī)定并結合空間分析結果，在車站中部設置1處伸縮縫，將車站分成2個60 m長的對稱結構單元，結構單元橫截面圖見圖2。

圖2 車站總體布置圖 （單位：mm）

總體設計過程中基本構件截面的大小不僅關系到工程量和投資規(guī)模，也影響到車站整體結構的內(nèi)力分配和抗震性能。本工程在滿足功能要求的情況下，參考類似工程經(jīng)驗，經(jīng)試算比較后擬定基本構件截面如下：

（1）站廳層。懸挑框架橫梁截面尺寸1 m×1.8 m，框架縱梁截面尺寸1 m×1.5 m，樓面板厚取150 mm；

（2）軌道梁層。框架縱橫梁和板厚同站廳層，考慮支撐站臺層柱子的插筋問題，對應框架處取500 mm寬；

（3）站臺層。站臺層跨度不大，懸挑長度也較小，橫向梁按常規(guī)截面取250 mm×550 mm，縱向梁截面取250 mm×500 mm，樓面板厚取150 mm；

（4）基礎和柱。考慮到擬建站房的土質條件和地下水情況，選用樁徑1.2 m的鉆孔灌注樁。為保證結構剛度，柱子截面取1.4 m×1.4 m，變形縫處邊柱取1.2 m×1.4 m。站臺層柱子按6 m間距布設，截面取400 mm×400 mm。

3.2 荷載確定和工況組合

根據(jù)結構受力分析，綜合各種可能對“橋-建結合”車站結構產(chǎn)生內(nèi)力的荷載，將荷載分為建筑荷載規(guī)范規(guī)定的荷載：恒載、活載、風載、雪載、地震作用等；鐵路橋梁規(guī)范規(guī)定的荷載：主力、附加力、特殊荷載等。

4 車站結構計算和施工圖設計

4.1 車站結構計算

“橋-建結合”的高架車站目前還沒有專門的結構分析軟件，為此，本文根據(jù)總體設計確定的構件尺寸和材料，在車站結構計算中仍采用車站結構方案比選中的結構有限元模型并采用建筑結構通用的SATWE程序。但，由于車站結構與常規(guī)建筑結構有所不同，結構荷載工況和受力變形均較為復雜，其對于直接或間接承受列車荷載的構件SATWE軟件并不能完全適用，因此，對車站結構構件按鐵路相關設計規(guī)范借助通用有限元軟件Midas/Civil進行計算和校核。

有限元模型中考慮樓面開孔、樓電梯、設備夾層、站臺雨棚等附屬結構，構件采用空間桿系和墻單元。對于常規(guī)結構采用剛性樓板假定，即樓板平面內(nèi)剛度無限大，平面外剛度為0。計算過程中周期折減系數(shù)、抗震等級、小塔樓放大系數(shù)、活載是否考慮最不利布置等分析參數(shù)與常規(guī)建筑結構分析略有不同，應結合高架車站特點和實際情況作相應調整，以獲得更為準確的計算結果。

4.2 車站結構配筋設計

本文參考GB50157-2003《地鐵設計規(guī)范》的相關規(guī)定和各專業(yè)規(guī)范，進行“橋-建結合”高架車站配筋設計?！皹?建結合”車站既屬建筑結構，又具有鐵路橋梁結構的特點，因此，配筋設計時必須對不同構件采用不同的規(guī)范進行綜合分析和包絡設計，以確保結構安全可靠。

本車站結構配筋設計中，對直接承受列車荷載的軌道梁采用有關鐵路橋規(guī)的要求進行配筋和設計。對簡接承受列車荷載的框架梁、柱及基礎按有關鐵路橋規(guī)和建筑結構規(guī)范的要求進行包絡設計，并同時滿足2個規(guī)范的要求。站臺層、鋼結構雨棚等不承受列車荷載的結構按有關建筑結構規(guī)范進行設計。

4.3 車站結構構造設計

對于結構受力較為復雜的“橋-建結合”高架車站，結構構造設計尤為重要。本文結合“橋-建結合”高架車站特點采取以下構造措施：綜合考慮使用功能和防水要求，在超長結構單元中部設置800 mm寬后澆帶，減少車站因溫差和混凝土收縮、徐變對結構的不利影響；軌道梁外側設置多道防水層并在梁下設置1道混凝土板，既起到防水作用又提高結構整體剛度；軌道梁下設置專用橡膠支座，減少列車行車振動對站房結構和候車舒適性的影響；考慮到車站跨越20 m寬河流且兩側均為已建市政橋梁，設計時將部分基礎采用異形承臺，避免與原市政橋梁樁基發(fā)生沖突，并選用鋼板樁圍堰施工，以減少對原有市政橋梁的影響。

5 結論與建議

從城市景觀、地面交通及車站建筑布置等方面綜合來看，高架車站宜采用“橋-建結合”的結構型式。高架車站除站位、造型等比選外，結構方案比選也十分必要，在保證結構安全的前提下，應兼顧技術、投資和工期的要求。從結構體系和動力分析結果看，獨柱雙懸臂結構方案抗震性能較差，在地震區(qū)不宜或少建這種型式的高架車站。

“橋-建結合”高架車站結構涉及到鐵路橋梁和建筑結構2個行業(yè)的設計理論和規(guī)范，因此，在結構整體計算分析的基礎上，對不同的構件應采用相應的規(guī)范進行設計和驗收，對同時承受列車和建筑荷載的構件應同時滿足鐵路橋梁和建筑結構規(guī)范要求。

“橋-建結合”高架車站目前沒有統(tǒng)一的設計規(guī)程和專用的分析軟件，鑒于目前全國范圍內(nèi)在建地鐵線路較多，建議相關部門能組織力量制定相應設計規(guī)程，編制專用分析軟件，不斷提高和完善高架車站的結構分析和設計水平。

無錫地鐵1號線工程已于2014年7月1日通車運營，目前各高架車站運營良好。

[1] GB50157-2003 地鐵設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2] 劉海鑫，宋海，杜喬，等. 橋建合一車站地震作用下結構扭轉不規(guī)則分析和判斷[J]. 江蘇建筑，2014（1）.

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責任編輯 朱開明

Elevated Station Structure Design on Wuxi Metro Line 1

Liu Haixin, Li Yuanyuan

The paper takes Wuxi metro line 1 elevated station as an example, makes comparative analysis of seismic resistance performance and stress characteristics of the structure type of single column double cantilever and double column double cantilever. It introduces the combined bridge and station architecture with the consideration of station structure selection, load determination, structural analysis and design, and it expounds the combined bridge and station construction with experience and main features of structural design of elevated station.

metro, elevated station, bridge construction, structure design

U442.5+4

2014-12-19

劉海鑫：江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，高級工程師，江蘇南京 210005