高架车站结构设计简述

高架车站结构设计简述
摘要：对不同结构形式高架车站结构设计分析，探讨了在高架车站结构设计上一些主要难点；着重叙述桥建合一高架车站结构计算中模型建立与选择，以及一些参数、荷载取值等问题，以供高架车站结构设计参考。

关键词：桥建合一；框架横梁；大开洞；振型数；基础沉降
中图分类号; U448.28文献标识码：A
一、概述
高架线路在一定城市道路环境条件下，采用灵活的建筑类型使轨道交通能有较好适应性。

采用一定技术措施后的低振动低噪声，能满足城市景观和环保要求，高架结构的小沉降、低变形，也能满足线路运行平顺要求。

高架轨道交通建设经济效益显著，运行良好，将为城市的交通发展起着巨大的作用。

本着快捷，安全，投资少，运营成本低的模式，城市高架轨道交通是未来主要发展方向。

不同形式高架车站适合于不同环境。

一般来说，根据高架车站轨道梁与站房之间的关系，可分为“桥建分离”与“桥建合一”两类。

“桥建合一”型式指：桥梁和房建结构结合，桥梁盖梁、墩柱、基础为桥梁结构和房建结构共有，桥梁横向框架通过纵向房建结构梁板整体浇筑，形成空间框架体系。

这种结构组合型式优点：结构受力合理，结构整体性、稳定性好，车站建筑布置灵活，柱网布置合理。

缺点：列车振动对站房影响明显，结构计算较为复杂，空间框架结构构件必须满足桥梁规范和房建规范。

框架结构受载不均匀，易造成基础不均匀沉降，特别是在地质条件不好地段。

一旦发生基础不均匀沉降将损坏结构，且修复困难。

如图1：
图1：桥建合一型式岛式站台高架站
“桥建分离”型式是：车站范围内行车部分结构与区间桥梁一致，属桥梁结构体系；其余部分结构采用框架结构，站台、站厅均在框架结构内布置，属房建结构体系。

这种结构组合型式优点：结构体系传力途径明确，受力简单，可分别按桥规和房建规范设计；振动和噪音对周围环境影响小，结构耐久性好；便于处理同区间接口问题；对施工工期有利。

基础不均匀沉降和车站建筑振动问题可得到解决。

缺点：站厅层由于存在截面较大桥墩，故建筑平面布局不灵活，对车站功能布置有影响；由于桥梁与房建结构分开布置，车站柱有较大或较多可能，体量显得较大。

如图2：
图2：桥建分离型式侧式站台高架站
深圳地铁龙岗线高架车站均采用“桥建合一”形式，这就给车站框架设计带来一定难度。

一般认为承受列车荷载轨道梁设计需要满足铁路规范要求，但其余空间框架设计，既要满足铁路规范，又要满足工民建规范。

二、框架计算
1程序选取及模型、参数合理选用、加载类型
1）程序选取
车站大多采用框架结构，所以可采用空间三维分析设计软件如SATWE、TAT 等软件进行计算。

以SATWE计算为例，说明车站结构计算模型合理简化及参数选用：
SATWE程序是用于高层及多层建筑结构的空间分析程序，采用空间杆系、墙元等计算模型，对车站这种比较复杂结构进行分析能更真实地反映出结构受力性能。

但是由于车站与一般民用建筑不同，计算时要更合理简化模型及选用参数以获得合理结果。

也可采用MIDAS CIVIL进行建立整体模型，该软件对列车动荷载进行影响线的加载和计算分析，对主横梁及承受动荷载轨道梁按其计算结果进行设计，但对于房建结构，建议选SATWE计算结果进行设计。

2）计算模型合理简化
a建立计算模型
由于车站长度一般均≥100m，所以车站均会设一条或多条伸缩缝兼抗震缝，如计算时把整个车站结构作—个文件进行计算，程序计算出的地震力大小、位移等会有误差。

若不考虑列车动荷载作为影响线加载情况建立计算模型时，可选取整车站的一半，即有变形缝位置作为一个模型。

若需将列车动荷载考虑计算时，可把每榀框架单独作为一个文件进行计算，但列车对轨道梁荷载应单独加在每榀框架上考虑。

b楼板开大洞处理
车站范围内有很多开孔，其中部分开孔较大，甚至梁与梁间完全没有楼板。

对这种大开洞形式必须要考虑开洞对计算结果影响。

SATWE常使用一个主要计算假定，即楼板平面内刚度无限大，平面外刚度为0，就是刚性楼板假定。

这种
假定带来直接效果是结构自由度大大减少，在楼面处各个结点水平位移均线性相关，即每个结点平动及转动不再是独立的了，都以该层质心为基准点而随之运动。

但对车站这种开大洞特殊结构，如这时还采用刚性楼板假定，则与事实不符。

因为没有楼板传递，各节点平动不再线性相关。

所以这种情况下的特殊处理：第一，在SATWE前处理的“特殊梁柱定义”项中，定义弹性节点，这表明该节点不受刚性楼板假定限制，其平动及转动自由度独立；第二，“参数修正”项中重新计算风荷载，使弹性节点上也作用有风力；第三，进行“数据检查”。

经过处理后车站结构大开洞情况计算结果更符合实际。

但对于带有楼板平面节点处设置弹性节点不一定反映实际结构受力状况，因为这样做SATWE会忽略弹性节点周围楼板刚度。

3）参数合理选用
SATWE进行计算前，程序允许对一些参数进行调整。

对车站设计来说调整参数主要有：“是否考虑扭转耦连”、“地震力振型组合数”、“周期折减系数”、“抗震等级”，调整信息中的“顶层小塔楼放大系数”、“活载是否考虑最不利布置”等，其余可取程序默认值。

a是否考虑扭转耦连
对车站平面很不对称的结构，在地震分析时宜考虑扭转耦连。

此时“地震力振型组合数”应选择≥9，若车站层数较多或层数刚度突变较大，振型数也应取得多些。

若顶部有小塔楼，则振型数≥12。

若不考虑耦连，振型数不能大于车站层数。

b周期折减系数
由于车站都按框架结构计算，但实际上由于有许多设备管理用房，车站本身砖墙较多。

且砖墙与框架之间连接需满足二级抗震构造要求，所以在地震早期弹性阶段，柱加墙会有很大刚度，因此会吸收很大地震力。

当地震进一步加大时，砖墙首先破坏，则结构又回到框架计算状态。

当SATWE作框架计算时，程序并未考虑这部分刚度，实际结构刚度远远大于计算刚度，实际周期小于计算周期，因此计算出地震力比实际小，结构偏于不安全，所以应对地震力再放大些。

通过调整“周期折减系数”可以达到这个目的。

车站计算时该系数可取“0.7～0.8”。

c梁是否考虑活载不利布置
由于车站相对于一般民用建筑活载占整个结构荷载比例较大，因此活载对结构不利影响需着重考虑。

由于活载产生内力图与恒载产生的内力图叠加时，若两者异号则叠加出来合力偏小，对结构计算不利。

在车站进行计算时一定要考虑活载不利布置，SATWE程序也提供了这种功能。

4）加载类型
a砖墙荷载
一般来说砖墙荷载均为线荷载，对于SATWE来说，直接在板上无法添加这类荷载。

但对于设计，不可能在所有砖墙下都设梁。

所以对砖墙荷载，一般采用墙高1/3的重量面荷载加载到板上。

b设备荷载
普通设备荷载，我们常采用8kPa面荷载结合设备运输路径进行考虑。

但对特别重型设备，应考虑其受力位置，着力点或面，在受力位置及运输路径上设置梁或柱，同时注意柱下板抗冲切是否足够，以保证安全。

c站台下混凝土墙荷载
处理这类荷载，需注意是，通过站台下混凝土墙各种管线很多，应在该墙留出许多大大小小孔洞，对此一定要将墙重量加到墙下梁上。

不然程序不予处理。

d天桥荷载
通常站厅层边梁上会有类型不同的天桥与地面相接作车站通道。

站厅层边梁加载要注意天桥的结构型式（直接关系到加载在车站主体梁上荷载是集中力或线荷载）以及边梁能承受最大正负弯矩和剪力。

往往有天桥处的边梁都会加大梁的截面尺寸。

e钢结构荷载
一般情况下，应据钢结构厂家提供的钢结构对车站结构最不利情况荷载进行考虑。

选用加载中节点荷载，可同时在同一节点添加三个方向的力和弯矩。

注意选取力正负号表示方向。

2工况组合选取及荷载计算
进行高架车站设计中，建议采用两种计算软件进行计算比较。

对于房建结构构件，主要以PKPM中SATWE计算结果为准；对于桥梁构件，主要以MIDAS CIVIL计算结果为准。

高架车站中桥梁结构主要荷载有：
1）主力
a恒载：包括结构自重、混凝土收缩徐变影响、基础沉降影响及桥面二期荷载，其中桥面二期荷载包括线路设施、电缆槽及隔声障等。

b活载：包括设计列车静活载、列车竖向活载、离心力、无缝线路纵向水平力等等。

2）附加力
包括制动力或牵引力、横向摇摆力、风力、温度影响力等。

3）特殊荷载
包括地震力、长钢轨断轨力、施工荷载、列车脱轨荷载、汽车撞击力等。

高架车站车辆进出及两个列车同时进出车站频率很高，因此对于力的组合如何求出最不利内力是其设计的难点。

对竖向力来说，与列车活载相关的主要是冲击力，框架计算中列车活载需考虑冲击影响；对水平力来说，主要有无缝线路产生伸缩力T1（作主力计）、挠曲力T2（作主力计）、断轨力T3（作特殊力计），列车运行产生横向摇摆力、风力及列车刹车或启动时产生的制动力等。

一般情况下这些力均可按铁路规范中要求进行组合，但由于高架车站特殊性，有些力的取值及组合规范中未明确规定或我们认为要求不够，所以在设计时又附加了另—些组合，按最不利工况进行结构计算。

主要有：伸缩力T1与挠曲力T2不同时组合，取其大值与其他力相组合；伸缩力、挠曲力、断轨力不与地震力同时组合；制动力作主力计，当列车活载考虑冲击系数时制动力按列车静活载重10％计，当列车活载不考虑冲击系数时制动力单线计列车静活载15％计，双线计10％；地震工况时不考虑冲击系数。

据以上原则定出需计算工况，再对每个工况进行内力计算，最后针对不同构件选定最不利内力进行断面配筋计算。

三、钢筋混凝土框架横梁及框架柱计算
框架横梁与框架柱作为框架结构的一部分，要满足工民建规范的框架空间计算及抗震计算和构造要求。

另一方面，框架横梁作为轨道梁支座，直接承受列车活载，需满足铁路规范要求。

框架柱作为框架横梁支承点，需满足两种规范要求，两者之间的结点处理不可忽视。

“桥建合一”车站常会遇到支承轨道横梁与框架横梁连为一体的框架柱设计问题。

所以设计时采用PKPM中SATWE计算软件对框架梁柱进行框架空间计算来满足抗震等要求，同时采用MIDAS CIVIL计算软件对其再进行计算来满足铁路规范要求。

通过两种软件、两个专业相互配合设计、互相参考比较，采用合理计算结果。

其次，工民建计算软件SATWE程序同时对两种工况的空间计算我也做了一定的比较。

一种为铁路规范规定的主力工况，一种为工民建规范规定的抗震工况（抗震等级二级）。

两个工况对框架横梁及框架柱的区别于：主力工况横梁上需考虑列车活载冲击力，框架计算时不考虑地震力；抗震工况时不考虑列车活载冲击系数，框架计算时需考虑地震力。

两种工况比较发现，对框架横梁来说，主力工况计算出的内力及用铁路规范配筋远远大于其他几种计算结果；对框架柱来说，抗震工况计算出的内力用工民建规范配筋远远大于其他几种计算结果，包括
铁路抗震规范计算结果。

最终计算框架横梁时采用主力工况内力数据，用铁路规范进行各种计算及验算；计算框架柱时采用工民建抗震工况计算结果方法。

值得一提的是，框架横梁抗剪计算，铁路规范中抗剪是以斜筋为主、箍筋为辅，但这不能满足框架结构抗震时同一断面上出现不同符号剪力要求。

所以，横梁箍筋、附加箍筋、吊筋都必须由工民建规范计算控制。

四、基础沉降控制
对高架车站，基础沉降是突出的问题。

国内外工程实践和理论研究表明：桩基础是首选基础形式。

桩基可将上部荷载有效地传递到压缩性小的深层土层中去，以满足上部结构物对基础承载力和变形要求。

桩基能有效地承受横向水平荷载，其抗震及抗动载性能好。

经验表明，在设计中选择合适桩基持力层、以及桩径、桩长、桩间距等参量，可使各桩基总沉降量大致相等。

各桩基础在总沉降量相等条件下，它们沉降时程曲线基本相同，而且车站横梁对各立柱沉降能起调节作用。

所以采用桩基础在沉降过程中沉降差，能被控制在很小范围内。

五、结束语
目前我国高架车站结构研究是一个值得重视课题，尤其对于桥建合一车站结构，受力、传力方式不甚明确。

本文对高架车站结构仅进行了初步分析和探索以及对高架“桥建合一”车站框架计算一些体会，随着我国轻轨高架的不断进步，在将来高架车站设计一定会愈来愈成熟且相信以深圳地铁龙岗线为代表的桥建合一高架站也为将来我国类似工程提供了有价值参考。