江灣鎮(zhèn)車站高架三層結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　提要：本文根據(jù)“上海城市軌道明珠線江灣鎮(zhèn)車站”的工程實例，對高架三層雙側(cè)式站臺車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則、荷載取值、內(nèi)力組合、計算及樁基設(shè)計等問題進行粗淺探討。

　　關(guān)鍵詞：城市軌道　高架　雙側(cè)式站臺　內(nèi)力組合　PHC樁

　　The Structural Design of Shanghai Urban Rail Transit Pearl Line

　　——The Structural Design of the Three—Storeyed Elevated Station of JiangWan Town

　　Lin Qiuping�。⊿hanghai Railway Fuzhou Survey & Design Institute，F(xiàn)uzhou 350013）

　　Abstract：Based on the project of JiangWan Town Station of Shanghai Urban Transit Pear1 Line，this paper suggests the structural design principles of the three-storeyed elevated two-sided-platform station.The problems of load values and the different combinations of internal forces are carried out via theoritical analysises，And the design of the pile foundation of the project is also discussed. Keywords： urban rail transit　elevated　 two-sided-platform　 PHC Pile　 internal force combination

　　1、前言

　　高架軌道交通是現(xiàn)代化城市、整體公共交通服務(wù)設(shè)施之一，它有效合理地組織客流，解決城市面臨交通堵塞、擁擠現(xiàn)象，使其在時間、空間上做到有機銜接，使地面、地下、高架的各種交通方式形成立體網(wǎng)絡(luò)。目前世界上有32個國家82座城市有快速軌道運輸系統(tǒng)無論是西方發(fā)達國家，還是發(fā)展中國家和地區(qū)都持續(xù)、廣泛地在都市區(qū)域發(fā)展軌道交通系統(tǒng)，巴黎有17條線，總長302km，莫斯科有9條，線總長230km，東京有13條線路，亞太地區(qū)在新加坡、漢城、臺北等也都建設(shè)了軌道交通系統(tǒng)。近幾年來，人們越來越認識到城市交通是城市賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，直接影響城市功能的發(fā)揮和社會經(jīng)濟繁榮，軌道交通是解決城市交通的理想工具，因此，軌道交通建設(shè)是城市現(xiàn)代化的重要標志之一。

　　上海城市軌道交通明珠線是國內(nèi)除香港特區(qū)外的第一條高架輕軌交通線，它溝通中心城區(qū)與南北兩翼的客運交通，是上海市主體交通中一條大運能的客流設(shè)施，采用高架方案與修建一般軌道交通線相比，有征地拆遷量少，施工簡單、開工面寬、對道路交通干擾小、影響地下管線少等有利條件，因而相對投資少、工期短、成本回收較快、建成后會收到運輸客流效率高、緩沖地面交通擁擠、明顯節(jié)約用地的功效。

　　2、工程概況上海城市軌道交通明珠線現(xiàn)已在緊張的施工中，一期工程共有19個車站，其中大部分為二、三層車站，筆者承擔(dān)江灣鎮(zhèn)車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計。該站為“高架三層雙側(cè)式站臺”的車站，總建筑面積為10728.3m2，站房規(guī)模按2020年最大客流量23576人次設(shè)計，站內(nèi)橋梁軌面絕對標高為14.8米。底層架空通行人流、車流，局部半地下室；一期建成車站總長度為150米，遠期發(fā)展為190米，按8節(jié)車廂編組，車站寬22.2米，檐口高度17.4米，沿車站總長三分點處設(shè)置兩道伸縮縫，將車站分為南、北、中三段，站房底層除中段設(shè)降壓變電所外，其余均為敞開，二層中段為設(shè)備及管理用房，南北兩段為售票廳及站廳，三層為站臺層，并在二、三層間設(shè)通長電纜夾層。

　　車站采用現(xiàn)澆鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)，行車部分橋道板采用板式橡膠支座簡支在站房橫向框架梁上，屋面為螺栓球節(jié)點鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用錘擊高強預(yù)應(yīng)力離心砼管樁（PHC樁）。

　　3、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　3.1結(jié)構(gòu)布置高架輕軌車站的站房結(jié)構(gòu)不同于一般的房屋建筑，它既有列車通過又有列車制動停留在站內(nèi)的工況，它是橋梁和房建融匯一起的結(jié)構(gòu)體系，在結(jié)構(gòu)選型時，有二種方案：一種為橋、建結(jié)合方案，另一種為橋、建分開方案，二種方案各有優(yōu)、缺點，后者：則受力明確，傳力簡捷，橋與建各有現(xiàn)行的國家規(guī)范可循，各有比較定型的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算方法；但橋與建分離體系需增加柱網(wǎng)，并切斷了框架結(jié)構(gòu)縱、橫向聯(lián)系，削弱了結(jié)構(gòu)的整體性，不利于結(jié)構(gòu)抗震；前者：是把橋墩作為房屋框架結(jié)構(gòu)的一部分，框架縱、橫梁對橋墩均能起到約束作用，減少了橋墩計算高度、柱網(wǎng)簡單、降低了線路標高和建筑標高，便于使用，從而可節(jié)省工程造價；但橋、建合一，沒有現(xiàn)行統(tǒng)一的規(guī)范與標準可循，設(shè)計時，必須對不同的構(gòu)件，采用兩種不同的規(guī)范進行綜合分析，結(jié)構(gòu)計算也頗為復(fù)雜。

　　本車站因受站內(nèi)軌頂標高的限制及城市規(guī)劃對底層凈高的要求，只能采用橋、建結(jié)合的型式，上部結(jié)構(gòu)為全框架，設(shè)計中力求盡可能減少柱、墩占用的面積，以利平面布置，根據(jù)橋道板的跨度及厚度，縱向柱距定為10米，橫向22.2米寬，原設(shè)計方案設(shè)四排柱，經(jīng)計算分析后，改為三排柱并滿足柱頂水平位移限值及橫梁撓度要求，從而降低了上、下部結(jié)構(gòu)的工程造價，便于建筑平面靈活布置。

　　3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

　　3.2.1車站建筑結(jié)構(gòu)的安全等級按“一級”要求進行設(shè)計；

　　3.2.2保證本建筑有足夠的承載力，剛度和穩(wěn)定性，在設(shè)計結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位時留有一定余地以策安全。

　　3.2.3車站結(jié)構(gòu)的抗震按“乙類”建筑，地震設(shè)計烈度按7度計算，并按8度抗震構(gòu)造措施。

　　3.2.4框架抗震等極按“二級”考慮。

　　3.2.5車站結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅滿足建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，對直接承受行車部分傳來的荷載的主要構(gòu)件同時必須滿足鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范。

　　3.3結(jié)構(gòu)計算我國對不同類型的結(jié)構(gòu)是采用不同的計算方法，普通鋼筋砼橋基本上采用容許應(yīng)力法計算，這是由于在其設(shè)計中起控制作用的問題往往是使用荷載下的疲勞，故宜按彈性工作分析并取用較大的安全系數(shù)，房屋結(jié)構(gòu)方面是按極限狀態(tài)法計算的，考慮受彎構(gòu)件破壞前的彈塑性工作階段，能更好地反映實際工作情況。

　　結(jié)合車站的特點，考慮到列車在站內(nèi)及進出站時行駛速度均比在區(qū)間橋內(nèi)的行駛速度慢得多，列車行駛所產(chǎn)生的縱向力對整個結(jié)構(gòu)的影響也相對較小，經(jīng)分析，在車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計中，除了橋道板、直接擱置橋道板的框架橫梁、框架柱采用容許應(yīng)力法計算外，其余構(gòu)件均按極限狀態(tài)法計算。

　　3.3.1荷載取值通過本工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力分析，綜合所有各種可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力的荷載，將荷載分為主力、附加力、特殊力三類，在設(shè)計中，部分荷載（一般房屋建筑設(shè)計中不考慮的荷載）的取值按如下原則：

　�。�1）車輛靜活載圖式見圖3，根據(jù)列車輪位所處位置的變化而產(chǎn)生內(nèi)力的影響線，經(jīng)計算得出：滿載時，對中支座，輪位最不利時產(chǎn)生的最大支座反力Rutm=445KN，對邊支座、輪位最不利時產(chǎn)生的支座最大反力Rstm=355KN，在分析最不利荷載情況下，為減少荷載組合組數(shù)，當站內(nèi)線路有車時，對中間跨框架梁集中力均取445KN，邊跨梁均取355KN.

　�。�2）車站位于線路彎道時，列車離心力根據(jù)行駛速度、彎道半徑求得，列車在站內(nèi)行駛速度：空載時V=60Km/h，滿載時V=30Km/h.

　�。�3）沖擊力為列車靜活載產(chǎn)生的力乘以沖擊系數(shù)，本設(shè)計沖擊系數(shù)根據(jù)橋道板的跨度推算為1.334.

　　（4）列車制動力或牽引力：站內(nèi)單線有車時取車輛靜活載產(chǎn)生力的15%計算，站內(nèi)雙線有車時，取車輛靜活載產(chǎn)生力的10%計算。

　�。�5）列車橫向搖擺力取4.25KN/m；

　�。�6）伸縮力（T1）、撓曲力（T2），斷軌力（T3）均由鐵道部科學(xué)研究院提供，作用在10米梁下：T1=4.812KN，T3=50.4KN，T2很小，忽略不計。

　　（7）溫度變化的影響按桿件升溫20.或降溫15℃來計算。

　�。�8）支座差異沉降量取0.5厘米，差異沉降是由各支座的不均勻沉降引起的，考慮沉降產(chǎn)生過程是在很緩慢時間中形成的，故按1厘米的支座沉降差乘50%來計算，即取0.5厘米的差異沉降作為計算值。

　　3.3.2框架橫梁（KJL）和框架柱（KJZ）的計算。

　　本車站結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點之一即對框架橫梁及框架柱的計算、配筋，根據(jù)文獻［2］規(guī)定：采用容許應(yīng)力法計算，對不同的內(nèi)力組合，將材料的容許應(yīng)力乘以不同的提高系數(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，就其可能的最不利內(nèi)力組合情況進行計算，為此，計算前，首先要對所有內(nèi)力進行組合分析。站內(nèi)存在單線有車，雙線有車，雙線均無車等幾種可能工況，再考慮主力、主力與附加力、主力與特殊力的幾種內(nèi)力分別組合，對橫向框架和縱向框架、列出所有可能出現(xiàn)的各種內(nèi)力組合，經(jīng)分析比較，排除了部分對內(nèi)力計算結(jié)果不起控制作用的組合，最后，縱、橫向框架均按表1、表2所列內(nèi)力組合進行內(nèi)力計算，其中表1為橫向框架內(nèi)力組合，表2為縱向框架內(nèi)力組合。

　　對橫向框架計算僅取①軸（邊跨）和④軸（中跨）分別進行內(nèi)力組合及配筋計算，求得中、邊跨橫梁配筋及框架中、邊柱橫向的配筋，計算結(jié)果表明：組合ⅠB是最不利內(nèi)力組合，其計算結(jié)果所需配筋最多，支座差異沉降產(chǎn)生的內(nèi)力較大，是不可忽視因素；溫度變化對桿件內(nèi)力 影響較小，可略而不計。

　　對縱向框架計算��？軸和？軸進行內(nèi)力組合及配筋計算，求得框架中、邊柱縱向的配筋，計算結(jié)果表明與橫向框架截然不同，組合ⅡB是最不利內(nèi)力組合，溫度變化對構(gòu)件內(nèi)力影響很大，而支座差異沉降產(chǎn)生的內(nèi)力則較小。

　　3.3.3兩種計算方法結(jié)果比較除上述KJL及KJZ外，車站其余結(jié)構(gòu)桿件均按建筑規(guī)范設(shè)計，即按極限狀態(tài)法計算。由于車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中同時采用容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)法兩種方法，其計算結(jié)果究竟相差多少呢？這是一個關(guān)注的問題，為此，設(shè)計中筆者取同一構(gòu)件采用兩種計算方法加以比較，從計算結(jié)果分析可粗略得出以下結(jié)論：按極限狀態(tài)法計算，其內(nèi)力約為容許應(yīng)力法的1.2～1.3倍，對于配筋，則容許應(yīng)力法約為極限狀態(tài)法的1.4～1.7倍。

　　4　基礎(chǔ)設(shè)計4.1工程地質(zhì)概況：本車站所處場地工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，南段為古河道，北段為古河道邊緣，均為第⑤層粘性土及粉性土充分發(fā)育地段，場地土為Ⅳ類，地層分布及其主要指標見表3

　　4.2 PHC樁樁基設(shè)計由于車站落在軟土地基上，為了確保各基礎(chǔ)的沉降差異在1厘米范圍內(nèi)，使車站二端與區(qū)間橋銜接處不均勻沉降差滿足軌道設(shè)計要求，經(jīng)多方案分析比較，并考慮與區(qū)間橋橋墩基礎(chǔ)類型一致，最后選用樁基方案，選擇⑤2砂質(zhì)粉土層作為樁基持力層，要求樁端全斷面進入持力層深度不小于3d（d為樁直徑），樁采用600錘擊高強預(yù)應(yīng)力離心砼管樁（PHC樁），平均樁長36米，單樁豎向承載力為1250KN，總樁數(shù)257根。

　　一般沉樁時，由于樁錘的作用，樁身內(nèi)產(chǎn)生壓、拉交變應(yīng)力，根據(jù)上海地區(qū)統(tǒng)計資料［8］：鋼筋砼樁，錘擊拉應(yīng)力最大值達12.74MPa，錘擊壓應(yīng)力最大值達32.93MPa，而PHC樁錘擊拉應(yīng)力最大值達（5.8-8.3）MPa，錘擊壓應(yīng)力最大值達26MPa，從上述資料分析對比，可以看出：PHC樁在沉樁過程中錘擊拉、壓應(yīng)力相對較小，未超過砼拉壓強度，可避免樁在施打過程中發(fā)生破損、斷裂。除此之外，在施工中采取“重錘輕擊”，嚴格控制錘擊數(shù)不超2000擊、碟簧樁帽等有效措施，就能保證樁身質(zhì)量，提高沉樁效率。

　　由于嚴格要求基礎(chǔ)沉降差異在1厘米之內(nèi)，為此筆者選取相鄰兩對基礎(chǔ)（②軸中、邊柱基礎(chǔ)）進行沉降量計算。把樁基承臺、樁群及樁間土作為實體基礎(chǔ)，不考慮樁身壓力擴散角，根據(jù)文獻［6］所提供公式，采用分層總和法計算各自地基沉降量分別為9.85cm、8.94cm，其沉降差△=9.85-8.94=0.91cm.滿足設(shè)計要求。

　　5、結(jié)束語

　　5.1由于本工程對荷載取值及內(nèi)力組合作了大量分析與計算工作，因此設(shè)計同類型車站時可參考表2、表3所提供內(nèi)容進行內(nèi)力組合。

　　5.2本設(shè)計中采用兩種不同規(guī)范，由于編制兩種規(guī)范的基準點不一（一種是容許應(yīng)力法，另一種是極限狀態(tài)法），因此對計算結(jié)果作了初步分析比較，按容許應(yīng)力法計算，其配筋約為極根狀態(tài)法的1.4～1.7倍，對于內(nèi)力，極限狀態(tài)法約為容許應(yīng)力法的1.2～1.3倍。

　　5.3對框架內(nèi)力分析得出結(jié)論：車站縱向框架，因構(gòu)件溫度變化所產(chǎn)生的內(nèi)力較大，是不可忽視因素。車站橫向框架，因支座差異沉降所產(chǎn)生的內(nèi)力應(yīng)予以計算。

　　5.4選用砂質(zhì)粉土層作為樁基持力層，經(jīng)沉降計算均能滿足基礎(chǔ)沉降差異1厘米的要求。

　　5.5 PHC樁具有諸多優(yōu)點，應(yīng)在預(yù)制樁選型中優(yōu)先采用。

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