城市轨道交通高架车站结构模型对比分析

城市轨道交通高架车站结构模型对比分析
以南京宁天城际轨道交通一期工程S8 线路中高架侧式车站为背景，采用MIDAS GEN 软件建立下部混凝土模型、上部钢结构模型、下部混凝土+上部钢结构整体模型等3 种模型，对 3 种模型的高架车站钢结构雨棚与下部混凝土结构协同受力进行对比分析，以期为高架车站上部钢结构雨棚和下部混凝土结构的建模和设计提供参考。

标签：城市轨道交通；高架车站；结构模型；对比分析
0 引言
城市轨道交通高架线路以其造价低、建设周期短的优势，占据了城市轨道交通相当一部分比重。

高架车站根据行车轨道和站台之间的关系，分为岛式车站和侧式车站，一般由下部混凝土结构和上部钢结构雨棚组成（图1）。

这种混合结构由2 种截然不同的材料组成，质量和刚度沿竖向产生突变，下重上轻，下刚上柔。

在以往的高架车站设计中，设计人员为了简化设计，一般都将下部混凝土结构和上部钢结构雨棚分开建模计算，不考虑它们的共同作用。

本文以南京宁天城际轨道交通一期工程S8 线路中侧式车站卸甲甸站（原大厂西站）为例，采用MIDAS GEN 软件，对下部混凝土模型、上部钢结构模型、下部混凝土+上部钢结构混合模型（以下称整体模型）等 3 种模型下的结构受力进行对比分析。

1 高架车站结构及模型建立
南京宁天城际轨道交通一期工程S8 线南起泰山新村站，经过桥北地区、浦口沿江、大厂、六合，北至金牛湖站，途径南京浦口区和六合区，是南京都市圈轨道交通中的一条重要线路。

线路全长45.2 km，其中地下线12.2 km，高架线33 km。

全线共设17 座车站，其中地下站6 座，高架站11 座。

列车采用4B 编组，最高运行速度为120 km/h。

卸甲甸站为路中高架侧式车站，位于江北大道路中6 m 宽绿化带内。

本工程地震基本烈度为7 度，设计基本加速度为0.1 g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，结构概况如下。

（1）下部混凝土部分。

混凝土框架结构，墩柱横向柱距 3.9 m，纵向柱距12 m 共7 跨，1、7、8 轴墩柱截面尺寸为1.4 m×1.4 m，2～6 轴墩柱截面尺寸为1.1 m×1.1 m。

横向预应力盖梁全长外包尺寸17.6 m，盖梁净悬挑长度6.3 m。

站厅层6～8 軸镂空，站台层设1 道变形缝，设计使用年限100 年，抗震等级为二级，混凝土强度等级C40。

（2）上部钢结构雨棚部分。

钢框架结构，结构整体长95.4 m，宽约22.4 m。

沿纵向有8榀弧形主桁架，7 榀次桁架，主次桁架间距约为 6 m，两端均有 1 榀弧形封边桁架，纵向布置有 4 榀通长纵向桁架起联系和支托作用。

钢柱横向柱距为17.1 m，纵向柱距为12 m，与站台混凝土结构采用铰接连接。

结构设计使用年限50 年，受力构件采用Q345B 钢。

根据车站整体结构横剖面图2，采用MIDAS GEN软件建立的 3 种模型见图3～图5。

2 结构模态分析
表 1 给出了 3 种模型前 3 阶振型。

由表 1 结果可知，由于考虑了混凝土结构和钢结构的相互影响，整体模型与下部混凝土模型和上部钢结构模型相比，周期长、刚度小、结构柔化。

图 6 给出了整体模型前 3 阶振型。

由图 6 可以看出，该高架车站由于质量和刚度沿竖向产生突变，下重上轻，下刚上柔，钢结构部分存在变形突变，可能会成为薄弱层，需对钢结构柱做加强处理。

3 多遇地震反应谱分析
3.1 内力
3.1.1 混凝土墩柱柱底内力
多遇地震作用下，下部混凝土模型和整体模型混凝土墩柱柱底内力计算结果见表2。

对比 2 个模型的计算结果可知，由于整体模型计入钢结构雨棚的刚度影响，相比下部混凝土模型，周期长、整体刚度小，混凝土墩柱柱底内力也较小。

由此可见，若不考虑上部钢结构雨棚的影响，仅以下部混凝土模型计算结果进行混凝土结构的设计，则设计结果偏于保守。

3.1.2 钢结构柱内力
表 3 给出了多遇地震作用下，上部钢结构模型和整体模型钢结构柱内力，由表3 可得出以下结论。

（1）整体模型相较于上部钢结构模型，钢结构柱内力更大。

这是由于高架车站的质量和刚度沿竖向产生突变，钢结构雨棚质量轻、刚度小，在地震作用下发生了鞭梢效应。

（2）1轴柱内力大，8 轴柱内力小。

这是因为作为钢结构基础的下部混凝土部分在站厅层6～8 轴部分镂空，1 轴质量大，地震效应大，导致钢结构 1 轴柱的内力大。

由此可见，整体模型可以真实地反映出作为基础的下部混凝土部分的规则性给钢结构部分带来的影响，这是上部钢结构模型所无法反映的。

以上分析表明，若不考虑下部混凝土部分的影响，仅以上部钢结构模型计算结果进行钢结构部分的设计，则设计结果偏于不安全。

3.2 变形
图7～图12给出了多遇地震作用下 3 个模型的位移云图，其结果汇总于表4。

（1）由图7、图8 可知，多遇地震下，混凝土模型最大位移发生在站台层，顺桥向地震时的顺桥向最大位移为 6.827 mm，横桥向地震时的横桥向最大位移为8.856 mm（发生在 1 轴柱处）。

（2）由图9、图10 可知，多遇地震下，钢结构顺桥向地震时的顺桥向最大位移为10.443 mm（发生在弧形主桁架顶部），横桥向地震时的横桥向最大位移为8.774 mm（发生在 1 轴钢柱顶部）。

（3）由图11、图12 可知，多遇地震下，整体模型中，混凝土最大位移发生在站台层，顺桥向地震时的顺桥向最大位移为 4.983 mm，横桥向地震时的横桥向最大位移为6.352 mm（发生在 1 轴柱处）；钢结构顺桥向地震时的顺桥向最大位移为23.076 mm（发生在弧形主桁架顶部），横桥向地震时的横桥向最大位移为30.058 mm（发生在 1 轴钢柱顶部）。

上述分析表明，对混凝土部分来说，整体模型位移较混凝土模型小；对钢结构部分来说，整体模型位移较钢结构模型大，且差值较大，整体模型中钢结构鞭梢效应明显。

4 结论与建议
（1）整体模型由于考虑了钢结构的影响，相比于下部混凝土模型，周期长、结构柔。

下部混凝土结构的设计中，为了减少工作量，不考虑钢结构的刚度影响，单独建立混凝土模型进行计算设计，其结果是偏于安全的。

（2）对于城市轨道交通高架车站，存在竖向刚度和质量突变，钢结构部分在地震作用下将发生鞭梢效应，应引起足够的重视。

此外，下部混凝土部分若存在平面不规则，会对上部钢结构带来重大影响。

因此，钢结构雨棚设计时，应考虑下部混凝土结构的影响。

参考文献
[1] 万钟，胡燕玲. 南京宁和城际一期工程路中高架车站站台型式研究[J]. 现代城市轨道交通，2014（5）.
[2] 赵进，张英杰，吴刚. 地铁单跨框架式高架车站结构抗震性能分析[J]. 城市轨道交通研究，2014（2）.
[3] 王小祥. 既有RC框架钢结构加层协同作用机理及加固技术研究[D]. 陕西西安：西安建筑科技大学，2014.
[4] 谢静静. 关于轻钢加层结构阻尼比确定方法的探讨[J]. 山西建筑，2010（36）.
[5] 张风波. 城市轻轨高架车站结构设计研究[D]. 北京：北京交通大学，2012.
责任编辑朱开明。