不同烈度區鋼-混凝土組合高架獨柱車站經濟性分析

陳 慧 馬小丹 馬福東

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式單軌具有線路構造簡單、建設周期短、爬坡能力強、轉彎半徑小、乘坐舒適和噪聲污染小等特點,備受我國眾多城市的青睞。部分學者對跨座式單軌的經濟適用性進行研究,武農等通過分析我國的城市結構特征、軌道交通發展政策和現狀,說明我國的眾多城市對軌道交通的需求具有需求大、對投資建設及運營經濟性、環保性和運營效率安全要求高等特征,并指出人口在100 萬以上的城市即有軌道交通建設需求或潛在需求[1];趙海賓從建設周期、建設運營成本和運營效益等方面對跨座式單軌交通的經濟性進行分析[2]。不難看出,跨座式單軌制式大多以高架形式敷設,高架獨柱車站是其重要組成部分,車站的經濟性會對整條線路的投資產生較大影響[3]。

目前,針對高架獨柱車站的研究主要集中在結構設計[4-8]及抗震分析[9-14]兩方面,關于獨柱車站抗震設計及經濟性分析的相關研究相對較少。以下對該新型結構體系的結構設計標準進行闡述,并對該體系的經濟性及影響工程造價的控制因素進行分析。

2 工程實例

2.1 車站建筑規模與標準站型

基于蕪湖跨座式單軌設計研究以及對國內在建、已運營的跨座式單軌高架車站的調研,除重慶單軌3 號線采用8 節編組外,其余均按照6 輛編組。因此,在標準站型的研究中,應包容設計各類跨座式車輛參數的限界要求,考量不同跨度對房間布局以及樓扶梯設置的影響,本著提升空間的品質環境盡可能優化層高的原則,從平面設計與豎向設計推出該體系的最優標準站型。標準站型結構剖面和立面效果見圖1、圖2,高架車站結構由上蓋鋼結構雨棚、類似“中”形鋼-混組合結構和基礎(嵌巖樁)組成。

圖1 標準站型結構剖面

圖2 立面效果

2.2 車站結構主要設計原則及抗震設計要點

(1)車站結構應分別按施工階段和使用階段進行強度、剛度和穩定性計算,并保證有足夠的承載力、剛度和穩定性

(2)采用“站橋合一”結構體系,除按現行建筑結構設計規范進行結構設計外,軌道梁、支承軌道梁的橫梁、支承橫梁的柱等構件及基礎,也應按現行鐵路橋涵設計規范進行結構驗算。

(3)高架車站柱距的選擇應結合建筑布置與橋梁標準跨徑的選擇相匹配;車站高架結構中長懸臂結構,應驗算端部豎向位移值,并按現行《地鐵設計規范》的規定進行控制,同時墩柱頂變形應滿足單軌交通運行要求。

(4)車站主體抗震設防分類為乙類、結構安全等級為一級,設計使用年限為100 年。

(5)車站輕量化設計優先采用鋼結構雨棚結構,抗震設防分類為丙類,結構安全等級為二級,設計使用年限為50 年。

(6)獨柱大懸挑的結構體系由于安全冗余度不高,抗震設計除進行多遇地震(E1)的設計外,還應進行設防地震和罕遇地震(E2、E3)的抗震性能化設計。

(7)“站橋合一”結構體系柱腳設計采用能力設計方法[15]。

(8)基礎設計等級為甲級。

2.3 工程地質條件、設計荷載及分析方法

實際工程中,地質條件的區域變化性很大,在不同的區域,即使有相同的柱底荷載,基礎設計結果區別也很大,本研究的重點是不同烈度高架獨柱車站上部結構構件尺寸的變化對工程經濟性的影響,為了體現車站結構的整體技術經濟指標,選取某車站實際地質條件,作為本研究的通用地質條件。巖土體主要力學參數見表1。

表1 巖土體主要力學參數 kPa

高架獨柱車站上部結構計算時采用的荷載標準值取值見表2。

表2 荷載信息

2.4 結構設計方法

高架獨柱車站在設計時,采用兩種設計方法,即按照民用建筑結構相關規范對主要構件進行承載能力和正常使用極限狀態的驗算、按照鐵路橋涵設計規范對主要構件進行容許應力驗算?？拐鹪O計中,除進行多遇地震(E1)的設計外,還進行了設防地震和罕遇地震(E2、E3)的抗震性能化設計。

2.5 不同烈度下車站經濟性指標分析

本研究采用建筑結構設計軟件建立模型,并按相應規范設計,確定不同烈度高架獨柱車站結構構件尺寸,并進行經濟性分析,以確定影響高架獨柱車站總工程造價的關鍵因素。

(1)高架獨柱車站工程量統計

在各設防烈度條件下,各高架獨柱車站工程量統計信息見表3～表7。

表3 6 度區高架獨柱車站工程量統計

表4 7 度區(0.10g)高架獨柱車站工程量統計

表5 7 度區(0.15g)高架獨柱車站工程量統計

表6 8 度區(0.20g)高架獨柱車站工程量統計

表7 8 度區(0.30g)高架獨柱車站工程量統計

(2)高架獨柱車站上部結構工程量比較分析

為更直觀顯示各烈度區高架獨柱車站工程量,繪制柱狀圖進行對比,結果見圖3、圖4。

圖3 上部結構混凝土量對比

從圖3、圖4 中可以看出,隨著設防烈度的提高,基于標準站型的高架獨柱車站的工程量逐漸增加。由于在高烈度區高架獨柱車站的側向剛度為控制指標,故柱的工程量隨著設防烈度的變大而不斷提高。從7 度(0.10g)提升至7 度(0.15g)時,柱混凝土工程量提升為原工程量的2.0 倍,柱鋼材量提升為1.7 倍;從8 度(0.20g)提升至8 度(0.30g)時,柱混凝土工程量提升為2.1 倍,柱鋼材量提升為1.7 倍;當設防烈度從6 度提升到7 度(0.10g)時,高架獨柱車站工程量變化不大。

圖4 上部結構鋼材量對比

(3)高架獨柱車站下部結構工程量比較分析

在進行結構設計時,同樣對高架獨柱車站下部結構進行了設計。下部結構工程量對比見圖5、圖6。

圖5 下部結構混凝土量對比

圖6 下部結構鋼筋量對比

從圖5、圖6 可以看出,基礎工程量隨著設防烈度的提高而增加,這主要是由于上部結構的工程量隨著設防烈度的增大不斷增大,上部結構自重不斷增大,導致承臺尺寸和樁數增加。

土方開挖量對比見圖7,從圖7 可以看出,隨設防烈度的提高不斷增大,當設防烈度從8 度(0.20g)提升到8 度(0.30g)時,土方開挖量有較大程度的增加(增加約45%)。

圖7 土方開挖量對比

(4)不同烈度區高架獨柱車站整體技術經濟指標分析

為了更加直觀地對比各烈度區標準站型高架獨柱車站的工程造價,將各烈度區高架獨柱車站工程造價以堆疊柱狀圖的形式繪制(見圖8),并以每平米工程造價作為技術經濟指標顯示(車站主體建筑面積為3 967.34 m2)。

從圖8 可以看出,(1)隨著設防烈度的提升,高架獨柱車站的工程造價逐漸提高,從6 度區至8 度區(0.30g) 每平米工程造價依次為:3 541.0 元、3 927.1 元、5 565.8 元、6 263.4 元和8 167.2 元。(2)設防烈度從6 度提升到7 度(0.10g),每平米工程造價增加386.1 元;從7 度(0.15g) 提升到8 度(0.20g),每平米工程造價增加697.6 元,增加幅度較小;設防烈度從7 度(0.10g)提升到7 度(0.15g)、從8 度(0.20g)提升到8 度(0.30g)時,每平米工程造價分別增加1 638.7 元和1 903.8 元,工程造價變化幅度較大。

圖8 各烈度區高架獨柱車站每平米工程造價

各烈度區高架獨柱車站各部分工程造價組成見圖9～圖13。

圖9 6 度區高架獨柱車站工程造價組成

圖10 7 度區(0.10g)高架獨柱車站工程造價組成

圖11 7 度區(0.15g)高架獨柱車站工程造價組成

圖12 8 度區(0.20g)高架獨柱車站工程造價組成

圖13 8 度區(0.30g)高架獨柱車站工程造價組成

由圖9～圖13 可知,(1)各烈度區高架獨柱車站工程造價中占比最大部分均為上部結構鋼材,但隨著設防烈度的增大,上部結構鋼材造價所占比例在逐漸下降,但始終占總工程造價的50%以上。(2)設防烈度的提升使得上部結構工程量增加,增大了結構自重,這也使得下部結構工程造價(下部承臺混凝土、下部承臺鋼筋、樁基鋼筋和灌注樁混凝土)所占比例逐漸增大,當設防烈度從6 度提升至8 度(0.30g),下部結構的工程造價從19.1%提升至39.3%。(3)對實際工程進行優化設計時,對于6 度區和7 度區(0.10g),優化高架獨柱車站上部結構可顯著降低工程造價,如減小鋼管混凝土柱截面尺寸和壁厚,合理布置鋼梁,防止鋼梁布置過密等。對于7 度區(0.15g)、8 度區(0.20g)和8 度區(0.30g),不僅需要優化上部結構,還應將下部結構作為重點優化對象,通過優化承臺尺寸、樁長和樁徑,達到進一步降低工程造價的目的。

3 結論

通過結合實際工程制定高架獨柱車站標準站型,并利用結構設計軟件確定該類結構在不同設防烈度下的主要結構尺寸。通過統計各設防烈度下該類結構的工程量,對影響該類結構技術經濟指標的關鍵因素進行分析。此外,還對該結構的主要設計原則和抗震設計要點進行總結。

主要研究結果包括:高架獨柱車站上部工程和下部工程緊密聯系,隨著設防烈度的提升,上部工程和下部工程的工程量均逐漸增大,導致低烈度區和高烈度區該類工程技術經濟指標差距較大;各設防烈度下,上部結構的鋼材均占總工程造價的50%以上,故在對該類工程的技術經濟指標進行控制時,應當優先對上部工程中的鋼-混凝土組合柱、鋼柱和鋼梁進行優化分析;在低烈度區,可通過對上部工程進行優化,即可有效地控制工程技術經濟指標;在高烈度區,不僅需要對上部工程進行優化,還需要優化下部工程,兩者協同控制方可確定最優結構方案。