滑動端跨對超長高架車站結構的影響分析

董曉鵬

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院，山西太原 030013)

城市軌道交通高架車站常見的結構形式有兩類：一類是“橋-建”分離式結構，此類結構受力明確，橋梁部分承擔列車軌道荷載，而車站結構相當于普通民用建筑結構，承擔列車荷載以外的其它荷載，兩者完全脫離；另一類則是“橋-建”合一式結構，此類結構傳力機制復雜，不僅要承受列車荷載，還要承受其它民用建筑荷載。與“橋-建”分離式結構相比，“橋-建”合一式結構的構件數量較少，外形美觀，故“橋-建”合一式車站結構的應用更為常見。

“橋-建”合一式車站結構具有橋和常規建筑結構的雙重特性[1]，故在結構設計時，軌道梁必須滿足“鐵規”(如《鐵路橋涵設計規范》[2]和《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》[3])的要求，而橫向蓋梁、框架柱、基礎須同時滿足“鐵規”和“建規”(如《混凝土結構設計規范》[4]和《建筑抗震設計規范》[5])，其余構件則只需滿足“建規”即可。

城市軌道交通高架車站建筑長度通常為120 m。受《混凝土結構設計規范》關于混凝土結構伸縮縫最大距離的限制，需要在車站結構中設置一道或者兩道結構伸縮縫，以此來減小混凝土收縮及溫度作用對結構的影響。在設置結構伸縮縫的部位，需要布置雙柱、雙梁，影響建筑美觀和防水效果，而且會帶來施工上的不便。近年來，不設結構伸縮縫的超長混凝土車站結構正逐漸興起。然而，超長結構會帶來兩個問題：一是混凝土收縮及溫度作用對結構影響較大[6-9]；二是對于超長結構的自振特性及地震作用的研究較少[10]。

圖1 端跨滑動處理大樣

在高架車站結構設計中，有些工程采用在結構縱橋向端跨的梁底設置縱向滑動支座的方法(見圖1)，來緩解混凝土收縮及溫度作用的影響。為了探究縱橋向端跨滑動處理對超長結構在混凝土收縮、溫度、軌道荷載以及地震作用下的影響規律，利用Midas Civil軟件對其進行數值模擬研究。

1 模型的建立

以某市新建的路中雙柱三層側式高架車站為例，利用Midas Civil軟件建立兩種三維結構模型：一種是傳統的連續框架結構形式(見圖2)；另一種是對其進行端跨滑動處理的結構形式(見圖1)。其中，端跨支座采用縱向活動球形鋼支座[11]，該支座可以承受豎向荷載和橫橋向水平荷載，具有豎向轉動及縱橋向位移的功能。軟件中采用“彈性連接”來模擬該支座。

圖2 結構模型

該車站結構總長120 m，縱向共有11排框架柱，中間不設結構收縮縫，軸號從左向右依次為1～11，車站結構總寬22.8 m。采用C40混凝土，構件尺寸主要有：柱1 800 mm×1 800 mm、1 500 mm×1 500 mm、1 200 mm×1 200 mm、400 mm×400 mm；蓋梁1 800 mm×(1 500～2 200 mm)、1 800 mm×(1 200～2 200 mm)；縱梁800 mm×1 200 mm、700 mm×1 500 mm、500 mm×1 000 mm；軌道梁600 mm×1 200 mm；板厚180 mm、150 mm。車站結構荷載：恒載按實際計算；站廳層設備活載為8 kN/m2、人行活載為4 kN/m2、電纜夾層活載為2 kN/m2。

2 收縮及溫度作用分析

《鐵路橋涵設計規范》規定混凝土收縮的影響可按降低溫度的方法來計算，故對計算模型整體按降溫25 ℃，分析收縮及溫度作用對兩個計算模型的影響規律。

圖3 溫度效應統計

從圖3可以看出，柱根彎矩與柱頂位移的變化規律極為相近：對于端跨固接的結構，在收縮及溫度作用下，結構沿縱橋向的柱根彎矩和柱頂位移都是中間榀最小，向兩側端跨方向依次增大；對于端跨滑動處理的結構，由于端跨縱橋向梁端位移的釋放，導致兩側端柱的彎矩和位移均為零，而除端跨以外的各跨，柱的彎矩和位移與端跨固接模型的變化規律保持一致，且數值極為接近。

通過以上對比可以得出：越是遠離結構中軸線的框架柱，受收縮及溫度作用的影響也就越明顯，且端柱產生的內力及變形越大。端跨滑動處理可以有效降低端柱的溫度效應，但對其中柱內力及變形幾乎沒有作用。

因此，對于采用端跨滑動處理的超長結構，中間跨的收縮及溫度作用必須加以考慮。這種超長結構收縮及溫度裂縫的控制可以采用以下方法：①在結構計算分析時，應充分考慮混凝土收縮及溫度作用，保證結構主要受力構件的可靠性。②加強構造措施，如混凝土中添加纖維；合理設置后澆帶；采用低干縮混凝土；重視混凝土的構造配筋，特別是樓板和縱梁的配筋。

3 軌道梁受力分析

為探究端跨滑動處理對軌道梁內力及變形的影響規律，在上述模型中輸入軌道荷載。其中，軌道鋪裝恒載取15 kN/m；列車活載按照6輛編組考慮，列車滿載軸重取140 kN，以移動荷載方式輸入。兩個模型中軌道梁的內力及變形統計如圖4所示。

圖4 軌道梁內力及變形統計

對比圖4的統計結果可以看出：相較于端跨固接模型，端跨滑動處理使得軌道梁的端跨跨中正彎矩和端跨非滑動端的負彎矩增加明顯，而端跨滑動端的負彎矩減小；軌道梁的端跨跨中撓度也顯著增加；然而，對于處于中間跨的軌道梁，其內力及變形基本保持不變。

產生上述現象的原因主要是端跨的滑動處理釋放了軌道梁沿縱橋向的位移和轉角，導致軌道梁受力發生改變，使得軌道梁端跨的非滑動端和跨中內力增加，而對于遠離端跨的其它跨則影響很小。因此，當車站結構采用端跨滑動處理時，應特別注意軌道梁端跨附近的內力變化。

4 動力特性分析

利用上述兩個模型，對其動力特性進行分析，統計結果見表1。

表1 結構動力特性統計

對比兩個模型的前三階振型可以看出：對于端跨滑動處理的結構，其結構自振周期明顯加長(特別是第二、三階振型的周期)；此外，端跨滑動處理使得結構的扭轉振型提早出現，且扭轉振型的周期明顯增加，這種扭轉振型的過早出現，對于結構的抗震極為不利，必須引起設計人員的重視。

5 地震作用分析

為了對比兩種結構在高烈度地區沿縱橋向與橫橋向的地震響應，運用振型分解反應譜法對其進行多遇地震作用下的內力及變形計算，地震參數按照《鐵路工程抗震設計規范》[12]中8度(0.2g)、Ⅲ類場地、特征周期分區為二區來考慮。圖5和圖6分別統計了縱橋向與橫橋向地震作用下兩種結構類型中框架柱的內力與位移響應。

圖5 縱橋向地震作用下結構響應

從圖5可以看出，縱橋向地震作用下柱根縱向彎矩與柱頂縱向位移的變化規律極為類似：相較于端跨固接模型，端跨滑動處理使得端柱的縱橋向地震響應明顯減弱，而中柱的縱橋向地震響應有所增大。這主要是因為端跨滑動處理釋放掉了端柱沿縱橋向的地震作用，被釋放掉的地震作用轉由其它中柱承擔。

從圖6可以看出，橫橋向地震作用下柱根橫向彎矩與柱頂橫向位移的變化規律大致一致：相較于端跨固接模型，端跨滑動處理使得端柱及其與之緊鄰的框架柱的橫橋向地震響應明顯增加，且增加的幅度遠大于其它中柱；而其它中柱的橫橋向地震響應有增也有減，且變化幅度不明顯。由此可見，端跨滑動處理會增加端跨附近框架柱在橫橋向的地震響應，故在設計此類結構時，應對端跨附近的框架柱適當加強。

圖6 橫橋向地震作用下結構響應

6 結論

(1)端跨滑動處理可以有效降低車站端柱的收縮及溫度效應，但對其它中柱的內力及變形影響不大。因此，即使一些超長結構采用了端跨滑動處理，中間跨的混凝土收縮及溫度作用也需加以考慮，并應采用相應的構造措施來預防混凝土開裂。

(2)端跨滑動處理使得車站軌道梁端跨的受力發生改變，導致軌道梁的端跨跨中正彎矩和撓度以及端跨非滑動端的負彎矩顯著增加。

(3)采用端跨滑動處理的超長車站結構的自振周期會加長，且扭轉振型會提早出現，這對結構抗震極為不利。

(4)相較于端跨固接的結構形式，滑動端跨處理的結構在縱橋向地震作用下，端柱的內力和變形明顯減小，而其它中柱的內力和變形都有所增大；而在橫橋向地震作用下，端跨附近框架柱的內力和變形顯著增加，其它中柱則變化不大。因此，當結構端跨采用縱向滑動支座時，應對端跨附近的框架柱適當加強。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50157—2013 地鐵設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2013

[2] 國家鐵路局.TB10002—2017 鐵路橋涵設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2017

[3] 國家鐵路局.TB10092—2017 鐵路橋涵混凝土結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2017

[4] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50010—2010 混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2015

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50011—2010 建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2016

[6] 周永禮，楊靜.“橋建合一”高架車站收縮、徐變及溫度力影響的分析[J].鐵道標準設計，2009(1)：31-33

[7] 張風波.城市輕軌高架車站結構設計研究[D].北京：北京交通大學，2012

[8] 馮健，呂志濤，吳志彬，等.超長混凝土結構的研究與應用[J].建筑結構學報，2001(6)：14-19

[9] 陳建輝.超長結構溫度作用響應分析及無縫設計研究[D].武漢：武漢理工大學，2010

[10] 劉守斌.超長無縫結構的隔震技術研究[D].昆明：昆明理工大學，2008

[11] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.CJ/T482—2015 城市軌道交通橋梁球型鋼支座[S].北京：中國標準出版社，2015

[12] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50111—2006 鐵路工程抗震設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2009