橋建完全合一單跨高架車站結構優化設計

倪文兵

（中鐵四院集團西南勘察有限公司，云南昆明 650200）

0 引言

城市軌道交通高架車站建筑結構形式分為橋建合一與橋建分離 2 種形式[1]。橋建合一形式由于整體性強，具有較好的發展前景[2]；橋建合一車站結構的缺點是結構設計涉及橋梁與建筑結構 2 個學科，結構設計比較復雜[3]。針對橋建合一高架車站的抗震設計，趙濤[4]、彭喆[5]進行了較全面的研究。本文結合昆明地鐵工程實例，對橋建完全合一高架車站結構設計中遇到的典型難點問題和實際處理對策進行探討。

1 結構體系介紹

橋建完全合一的單跨高架車站是指受力體系為典型框架結構體系的高架車站（圖 1），它具有如下特點：車站中沒有單獨承擔車輛荷載的簡支軌道梁，車站橫向一般為雙柱單跨框架結構，車站縱向為多跨框架結構。一般車站的建筑層數為 3 層，高度不超過 24 m，且頂層為輕鋼結構雨棚，此種結構可歸類為民用建筑鋼筋混凝土多層單跨框架結構。為滿足城市軌道交通車站的功能，其結構設計具有自己的特點。由于建筑場地條件的限定和車站功能的相似性，此種建筑結構的形式又是相對固定的，比較容易進行標準化設計。

圖 1 典型框架結構體系的高架車站（單位：mm）

2 長懸挑梁端頭柱設置

昆明地鐵工程結構設計審圖過程中，對于長懸挑梁端頭柱的設置（圖 1 中附加柱 1）有兩種觀點：①不設置，上下 2 層梁均為單純的懸挑梁，受力明確，不存在豎向結構不連續的問題，且結構規則性好，抗震性能更好；②設置此柱，增加了上下 2 層懸挑梁剛度，可以較好地優化懸挑梁截面。

為此，在昆明地鐵晉寧線車站結構設計過程中，采用 PKPM 計算分析軟件中的 PK 模塊作為分析工具，建立平面框架結構模型 A（圖 2），同時建立一個對比模型 B（圖 3）。模型 B 除取消了 2 個 7 號構件，其他荷載、構件等與模型 A 完全相同，構件截面尺寸見表 1。

圖 2、圖 3 中，桿件編號不帶圈，節點編號帶圈，并定義位置梁 6-4 表示梁 6 的 4 節點端。取該工程場地地震作用為 8°（0.3g），小震情況計算，得出 2 種模型計算結果對比，見表 2～表 5。其中，表 2 為恒+活標準組合下懸挑梁端頭節點位移對比，表 3 為恒載工況下挑梁根部彎矩對比，表 4 為地震荷載工況下上層柱剪力對比，表 5 為地震荷載工況下柱彎矩對比。

圖 2 模型 A

圖 3 模型 B

表 1 主要構件截面尺寸 mm

表 2 恒+活節點位移對比

表 3 恒載下挑梁彎矩對比

表 4 地震下柱剪力對比

表 5 地震下柱彎矩對比

由表 2～表 5 對比結果可知，設置懸挑梁端柱可使站廳層主要受力構件內力峰值降低，懸挑梁剛度有較大提高。雖然這將導致地震力略有增加，但增加幅度不大，且可以減小站廳層 2 框架柱的地震內力。考慮到懸挑梁端部也需要設置填充墻的構造柱，故選用模型 A 作為實施方案。至于抗水平剛度突變的問題，可以通過調整上下柱截面大小來解決。

圖 4 電纜夾層 2 柱和站廳層柱加密示意圖

圖 5 柱加密方案（縱向一跨）（單位：mm）

3 電纜夾層 2 結構設計

電纜夾層 2 結構設計高度一般為 1.5 m，此高度由地鐵車輛車型參數控制，變動范圍較小。電纜夾層 2 橫剖面結構分成左右 2 個單層塔，層高較下層站廳層要矮得多，與站廳層相比，此層極難滿足 GB50011-2010《建筑抗震設計規范》3.4.4 條第 2 條 3 款“樓層承載力突變時，薄弱層抗側力結構的受剪承載力不應小于相鄰上一樓層 65%”的規定。為滿足此規定，勢必要減小電纜夾層 2 的梁柱截面，否則就得加大站廳層的梁柱截面。另外一方面，如果電纜夾層 2 仍保持站廳層柱網布置，僅在站廳層柱位置設置柱子，縱向梁跨仍取約 18 m，即使按滿足基本組合工況要求設計，縱梁截面也不會很小。如果按 1/16 梁跨計算，梁高也會達到 1.1 m，電纜夾層 2 梁底部位凈空也只有 400 mm，這將難以在電纜夾層 2 布設電纜及維護檢修。

基于上述 2 點考慮，本工程采取了在電纜夾層 2 設置梁上柱的方式，以加密此層柱，減小梁跨度。具體辦法為，按對應下層柱跨一分三的原則，在下層框架梁上每跨插入 2 個柱子（圖 4）。電纜夾層 2 結構設計結果為，加密柱 9～ 柱 12，柱 9～ 柱 12 設計截面為 350 mm×350 mm，縱向梁 13～梁 15 設計截面高為 450 mm（圖 5），橫向梁 19～梁 26（圖 2 中梁 19～26）設計截面高為 300 mm。這種設計極大優化了使用凈空，改善了使用中的運營維護條件，滿足了規范下層抗剪承載力不小于上層 0.65 倍的要求；其缺點是導致了豎向構件不連續，但是通過采取有針對性的對應措施，例如，采用全樓彈性板計算假定，加強抬柱梁細部設計，結構安全性是可以保證的。

4 區間橋梁支座牛腿設計

在車站兩縱向端頭與區間橋梁交接的位置，結構上有 2 種做法：①區間橋梁與車站結構間設置結構縫分開；②2 種結構不分開，在車站結構端部設置牛腿支撐區間橋梁。本項目采用了后一種方式，以提高建筑結構的簡潔性。

由于區間橋梁支座橫向間距較窄，若直接在框架梁上設置牛腿，則牛腿上還應設置橫向梁支撐橋梁支座，該橫梁除主要承受豎向彎矩、剪力外，在縱向水平地震力下將受到水平面內彎矩與剪力，受力大且復雜。為增加結構安全性，本工程采用了在對應區間橋梁支座處加設梁上牛腿柱（單層）的方式傳導區間橋梁荷載。同時，在框架柱上設置 4 個牛腿，牛腿間采用水平系梁連接，以提高結構贅余度。邊榀橫向框架及牛腿關系如圖 6 所示。

為確保結構安全性，本工程設計中采用了 SAP2000分析程序，建立了局部的牛腿柱、牛腿實體模型，以實體模型方式進行牛腿局部受力分析。計算結果表明，如果采用傳統的牛腿截面，在牛腿下端面與柱斜交交點位置混凝土應力集中明顯，如圖7所示，在基本組合工況下達到 19.5 MPa。為此，設計中按應力和緩的原則，將此處平面斜交改為圓弧面過渡，其他條件不變，此時峰值應力降至 12.919 5 MPa，見圖 8，應力峰值較無圓弧面過渡設計（圖 7）降低了 33.3%。這樣做幾乎不增加工程量，且造型更為美觀。故本工程采用下面為弧形面的牛腿。

圖 6 區間橋梁支座牛腿三維圖

圖 7 區間橋梁支撐傳統牛腿應力云圖（單位：MPa）

圖 8 區間橋梁支撐圓弧過渡牛腿應力云圖（單位：MPa）

5 結束語

城市軌道交通橋建完全合一橫向單跨高架車站是一種較新穎又能滿足常規城市建設條件的結構形式。結構設計過程中，在充分考慮車站建筑交通功能的基礎上，采取設置單層梁上柱的結構設計方案，可有效解決懸挑梁剛度小、電纜層層高小以及區間橋梁支座受力大且復雜的問題。設計表明，對于受力很大的鋼筋混凝土牛腿，其下斜面與柱之間采用圓弧倒角圓滑連接方式，可有效降低二者連接部位的局部壓應力。

[1]趙毓成. 高架車站結構形式分類及適用研究 [J]. 中國市政工程，2012（4）.

[2]宋佳剛. 橋建合一與橋建分離高架站房的對比分析[J]. 鐵道勘測與設計，2015（3）.

[3]王偉佳. 橋建合一框架結構站房概述及設計分析方法探討[J]. 鐵道勘測與設計，2011（5）.

[4]趙濤.橋建合一高架車站結構抗震分析方法探討[J].中國水運，2013（5）.

[5]彭喆. 淺談“橋建合一”式高架車站抗震設計[J]. 鐵道勘測與設計，2015（4）.

[6]GB50011-2010建筑抗震設計規范[S]. 2010.