型鋼混凝土轉換梁在城市軌道交通高架車站中的應用

王 鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,710043,西安//高級工程師)

型鋼混凝土轉換梁在城市軌道交通高架車站中的應用

王 鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,710043,西安//高級工程師)

城市軌道交通高架車站因受環境的制約和建筑設計的要求,常需采用轉換梁結構。結合工程實例,介紹了型鋼混凝土轉換梁在某城市軌道交通高架車站中應用情況,對結構方案比選、構件截面設計、指導規程選擇及施工措施等進行了論述,提出型鋼混凝土轉換梁能夠提高高架車站復雜結構關鍵部位的受力性能,滿足特殊的建筑功能和造型要求,可為類似工程提供參考。

城市軌道交通；高架車站；型鋼混凝土轉換梁

Author′s address China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,710043,Xi’an,China

1 工程概況

重慶軌道交通某高架車站位于城市干道茶園路路側,呈東西向布置；車站周邊現狀為山地及河灘,車站站位處在河灘坡地上,西高北低；軌面至自然地面高度約為41～23 m,車站軌面平均高度約為30.88 m。車站總圖位置如圖1所示。車站形式為下部架空的三層側式高架車站,車站長度為120 m,車站寬度為24.6 m,地上一層為地面層及設備層,地上二層為站廳層,地上三層為站臺層。

圖1 車站總平面示意圖

2 方案比選

2.1 主體結構方案比選

車站結構采用目前建設中應用越來越廣泛的“橋-建”組合形式[1-2],對于此種結構形式,可以選擇的方案有三種:橫向三柱框架結構體系、橫向雙柱框架結構體系、橫向兩柱懸挑上托三柱的框架結構體系。 充分考慮車站建筑功能與造型、河道泄洪要求、河道施工作業難度、造價等因素,對上述三種方案進行了比選研究。各方案比選情況如表1所示。

由表1可見:方案一,建筑平面布置合理,站廳層公共區中間只有一排柱,設備布置和空間效果均較好,結構簡單；缺點是落到河里的柱和樁基數量過多,對施工和河流水利影響較大,且車站外立面和景觀較單一,不符合重慶市對高架車站的統一要求。方案二,減少了落到河中的柱和樁基數量,對施工和河流水利影響較小,外立面和景觀效果較好,但站廳層公共區有兩排柱,內部空間效果略差。方案三,集合了方案一和方案二的優點,站廳層公共區中間只有一排柱,設備布置和空間效果較好,對施工和河道水利影響較小,外立面和景觀效果較好,符合重慶市對城市軌道交通高架車站的統一要求,推薦采用該方案。但是,方案三結構體系最復雜,豎向構件不連續,并且有大懸挑轉換梁,普通鋼筋混凝土結構難以適用。本著結構為建筑功能服務的原則,對大跨度托柱轉換梁結構方案進行了深入設計研究,以期以性能最優的結構為城市軌道交通功能和城市景觀服務。

表1 車站主體結構方案比選

2.2 轉換結構方案比選

車站結構的主要承載體系為雙柱墩及轉換構件,轉換構件位于雙柱墩上部,形式為單跨雙側帶懸挑段；橫向雙柱間距為8 m,凈懸挑長度為7.3 m,在懸挑兩端及跨中位置托換3柱；在轉換構件上部形成梁柱框架結構,支撐上層站臺層、簡支軌道梁及站臺雨棚剛架；軌道梁采用實腹板式,通過盆式支座簡支于橫梁上。從上述傳力途徑可以看出,轉換構件是本站結構的關鍵承載構件,轉換梁承擔著三個柱的集中荷載,集中荷載較大且其中有包含列車動力荷載。轉換梁跨高比約為4,屬深受彎構件,易發生剪切破壞,其失效將引起結構的整體破壞。為保證結構安全,對鋼筋混凝土轉換梁、預應力混凝土轉換梁、型鋼混凝土轉換梁、桁架轉換體系等四個方案進行了對比分析,各方案具體情況見表2。

通過以上分析可知,型鋼混凝土以及預應力混凝土方案均適用于本工程,但型鋼混凝土結構轉換梁相比預應力混凝土轉換梁具有較好的延性,抗震性能更優。綜合考慮車站結構安全、工程造價、轉換構件的深受彎特征、既有工程建設經驗[3,9]等因素,確定轉換梁及其支撐柱均采用型鋼混凝土結構(SRC)。

3 整體受力結構分析及轉換梁內力

工程設計包含有兩部分內容,整體受力分析和構件設計。對于“橋-建”組合結構體系的高架車站結構,一部分結構主要承受軌道交通荷載,另一部分結構主要承受人群荷載。《地鐵設計規范》要求承受軌道交通荷載和承受人群荷載的結構需分別按鐵路橋梁和建筑結構設計規范進行設計。考慮橋梁結構和建筑結構之間有較強的力學聯系,整體受力分析應采用一體化建模和分析,結構整體分析采用Midas/Gen有限元程序,結構單元均采用梁單元,采用“m”法將樁基剛度轉化為水平和扭轉的彈性剛度,在柱底施加彈性連接單元模擬樁土的共同作用。結構整體計算模型及柱底彈性連接示意圖分別如圖2、圖3所示。考慮型鋼混凝土構件目前可參考的設計規范[11-12]均采用極限狀態設計法進行設計,根據文獻[13]中的研究成果,對軌道交通荷載按各自屬性和特征進行分析,將其歸類為建筑結構所劃分的荷載類型,按照極限狀態設計法各類組合的基本要求進行荷載組合。根據《地鐵設計規范》,其中列車豎向活載為列車豎向靜活載乘以動力系數后加載,人群荷載為面荷載。通過整體計算分析得到的基本組合作用下轉換梁設計控制截面內力如表3所示,截面位置如圖4所示。

表2 轉換結構方案比選

圖2 高架車站Midas/Gen有限元模型

注:D——柱底位移； R——柱底轉角

設計截面/mm位置設計彎矩/(kN·m)設計剪力/kN混凝土截面:1700×2000鋼骨:H1600×700×40×60A:跨外支座MA=45000VA=8700B:跨內支座MB=28000VB=11400C:跨中MC=-8500VC=10500

圖4 轉換梁A、B、C截面示意圖

4 型鋼混凝土轉換梁截面設計

4.1 規范的選擇

目前國內有兩部行業標準指導型鋼混凝土結構設計,分別是YB 9082—2006《鋼骨混凝土結構設計規程》(以下簡稱《鋼骨規程》)與JGJ 138—2001《型鋼混凝土組合結構技術規程》(以下簡稱《型鋼規程》)。由于這兩部規程編制的依據和背景不同,因此二者在SRC構件計算理論和計算方法上均有差異。

在正截面承載力計算方面[12-13],《型鋼規程》考慮到了型鋼與混凝土之間的粘結作用,計算結果較為經濟,其計算值也與試驗結果較為接近。在斜截面承載力計算方面[12-13],兩部規程采用簡單疊加原理,抗剪承載力均包括箍筋抗剪作用、混凝土抗剪作用和型鋼抗剪作用；但二者在截面有效高度、分項系數上有差別,尤其是對于承擔集中荷載作用的梁。本工程的型鋼混凝土轉換梁為典型的承受集中荷載(列車動活載)的深受彎構件,剪切作用起控制作用,選用哪部規程進行抗剪承載力計算會影響結構的安全性及經濟性。基于此,工程設計承包方中鐵第一勘察設計院集團有限公司委托西安建筑科技大學,在考慮基體材料、剪跨比、箍筋三個因素對短梁抗剪性能影響的基礎上,設計制作了9個簡支梁試件進行試驗研究。通過對比分析發現[14],《型鋼規程》計算承載力更為保守,《鋼骨規程》計算承載力更接近構件實際承載力。

因此,在該車站結構的施工圖設計中,采用《型鋼規程》進行轉換梁的正截面承載力計算,采用了《鋼骨規程》進行轉換梁的斜截面承載力設計。

4.2 轉換梁的截面設計及承載力驗算

根據整體計算分析得到的內力,分別根據《型鋼規程》和《鋼骨規程》計算轉換梁正截面、斜截面配筋,同時對構件截面配筋按鐵路工程設計規范進行復核驗算。轉換梁配筋如表4所示。

表4 轉換梁截面配筋表

為驗證在工程荷載條件下轉換梁的屈服狀態、破壞模式和極限荷載,按照配筋率相等的原則配置鋼筋,設計了與原工程實際相似的帶伸臂的轉換梁縮尺試件進行靜載試驗。試驗結果顯示:試件破壞屬于剪切斜壓破壞,但試件臨近破壞時,承載力下降比較緩慢,延性較普通混凝土結構有明顯提高,根據相似原理推算得到轉換梁的實際極限承載力大于設計內力,轉換梁滿足承載要求。

5 型鋼混凝土梁施工關鍵技術

5.1 節點處混凝土的密實性保證措施

由于型鋼梁柱節點處存在加勁板,加勁板與加勁板之間、加勁板與鋼筋之間間距較小、配筋間距小、鋼筋密度大,采用普通混凝土振搗施工困難,很難保證混凝土澆筑的密實性。施工前進行了混凝土配合比試驗,觀察該混凝土澆筑過程中密實程度及在正常養護下的裂縫開展情況。根據觀察結果,研究決定在鋼板和鋼筋較密處混凝土采用小粒徑石子同強度等級的混凝土澆筑,混凝土配合比按照自密實考慮,并采用小振搗棒進行振搗；振搗時注意對稱多點振搗,同時也要避免過振,并進行二次振搗,以保證節點區域混凝土的密實性。

5.2 防止混凝土裂縫措施

本工程型鋼混凝土轉換梁體積較大,混凝土澆筑后,表面因外界溫度較低而散熱較快,因此會造成柱子、梁內外溫差較大。由于型鋼的熱膨脹率大于混凝土,因此會導致梁的橫截面容易被拉裂,出現水平裂縫,在夏季施工時這個問題更加突出。

為防止裂縫產生,采用了高效聚羧酸外加劑降低水灰比,并采用減縮劑減小混凝土的自收縮,采用外加劑補償混凝土收縮；延長型鋼混凝土梁的折模時間；模板拆除后在梁的側面采用塑料薄膜進行包纏,并在混凝土中埋設溫度感應片測定溫度變化曲線,用于控制混凝土養護。以上措施有效防止了混凝土的裂縫,取得了良好的效果。

6 結論

(1) 型鋼混凝土結構具有強度高、剛度大、延性好的特點,可適用于承受動力荷載的城市軌道交通高架車站的轉換梁結構。該車站已于2014年12月開通試運營,經過施工實踐和試運營證明,型鋼混凝土托柱轉換梁應用于城市軌道交通工程高架車站,能夠提高復雜結構關鍵部位的受力性能,滿足特殊的建筑功能和造型要求。

(2) 對于型鋼混凝土轉換梁(深受彎構件)的抗剪承載力,《鋼骨規程》計算的承載力較接近試驗結果,而《型鋼規程》的結果較為保守。通過試驗研究發現,從試驗極限承載力來說,兩種規程對于抗剪承載力均留有一定的安全儲備,但是型鋼混凝土抗剪破壞時的延性好于一般鋼筋混凝土結構,應可以適當提高其抗剪的理論承載力,以提高設計的經濟性。

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Application of SRC Transfer Beam in Elevated Metro Station

WANG Peng

The transfer beam structure is often employed in elevated metro stations when they are restricted by environment and demanded by architectural design.Basing on an engineering case,this paper introduces the application of SRC transfer beam in an elevated metro station,discusses structure scheme selection,cross-section design,comparison of design codes,construction measures,etc.It put forward SRC transfer beam can improve the mechanical properties of key parts of complex structures in elevated metro station,and meet the special architectural functions and image requirements.so as to provide a reference to similar projects.

urban rail transit; elevated station;steel reinforced concrete transfer beam

U 233+.4； U 448.38

10.16037/j.1007-869x.2016.07.026

2015-01-16)