超长高架车站结构设计分析范文

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摘要：结合深圳市轨道交通6号线高架车站不设伸缩缝的要求，对某超长高架车站的结构设计方案进行研究。从选取温度计算参数、调整墩柱刚度、设置后浇带以及其他构造等方面进行影响分析，给出相应建议措施，可为类似项目提供参考。

关键词：城市轨道交通；高架车站；超长结构；温度效应；构造措施

引言

根据我国现行《混凝土结构设计规范》，长度超过一定范围的框架结构应分段设置伸缩缝。设置伸缩缝目的是将框架结构分割为较短的节段，以降低体积变化和温度效应等间接作用的影响，防止在结构中引起较大的约束应力和结构开裂。然而在工程实践中，伸缩缝两侧需独立设置梁、柱，施工成本较高，且伸缩缝产品寿命偏短；伸缩缝装置破坏后会造成结构耐久性降低，同时伸缩缝漏水也是大型钢筋混凝土结构的通病，目前还没有很完善的修复解决办法；在后期运营阶段要投入较大的人力和财力进行养护和维修，既增加了维护成本，又给建筑物的正常使用带来干扰和安全隐患。因此，有必要对这类超长混凝土框架结构进行创新设计研究。近年工程实践表明，超长结构在不设伸缩缝的情况下，采取有效措施，也可以避免裂缝的发生。

1工程概况

深圳市轨道交通6号线是国家发改委批复的《深圳市城市轨道交通近期建设规划（2010～2016）》线路之一，是沿深圳市中部发展轴敷设的轨道快线。一期工程线路始于深圳北站综合交通枢纽，止于松岗站，全长约37.6km，其中高架段长约27.2km，全线共设车站20座，其中高架车站17座。目前全线土建工程已基本完工，计划2020年开通运营。该线某一高架站位于路中，车站采用岛式站台，结构全长144m。结构形式为横向单跨的3层钢筋混凝土框架结构。地下层为设备夹层，地面层为系统及设备用房，地上2层为站厅层，地上3层为行车道层，行车道层上设站台层，车站屋盖采用轻钢结构，高架车站立面如图1所示。

2结构选型

在建的高架车站从结构构件的所属关系上，主要分为“桥建分离”和“桥建合一”2种形式。（1）桥建分离。车站桥梁与车站房屋在结构上完全脱开，互不干扰。该形式的优点是受力体系清晰，结构设计按各自规范独立进行；缺点是车站建筑布局不便，占地体量大。（2）桥建合一。是桥梁和房建结构的融合，车站主要受力构件均为两者共有，桥梁墩柱、盖梁通过框架梁板形成空间整体结构。该形式的优点是整体性好，易于建筑布置；缺点是站房不可避免的会受到列车振动影响，主要受力构件需同时满足桥梁和房建的设计规范等。本工程高架车站主要位于道路中间绿化带内，两边是车行道，车站墩柱占地9.5m宽。盖梁悬挑跨度4.3m，车站采用岛式站台，站台宽10m，线间距13.2m，若采用“桥建分离”形式，车站占地较多，对两侧道路交通影响大，也不利于建筑房间布置，因此对此类车站推荐采用“桥建合一”形式。

3车站不设缝方案研究

本高架车站在初步设计阶段，按我国现行《混凝土结构设计规范》要求，同时参照以往类似项目的做法，在车站中部设置1条宽10cm的伸缩缝，将车站分成72m长的两联结构。在初步设计专家评审阶段，为了减少伸缩缝处的建筑防水处理和漏水发生，同时方便结构找坡、减少各种管道跨缝处的特殊处理、降低造价且便于施工，专家组建议对高架车站主体不设伸缩缝的可行性及技术措施进行研究论证。取消伸缩缝后车站主体结构长度为144m，对现浇式框架来说，已远超规范要求。根据工程经验，降温和混凝土的收缩是引起超长混凝土结构开裂的主要原因，也常是车站桥梁设计的控制性工况，应通过有效分析和计算，慎重考虑各种不利因素对结构内力和裂缝的影响。本高架车站采用Midas/Civil空间桥梁专用程序进行静力分析，设计中重点对温度作用、墩柱刚度及后浇带对超长框架的影响做了研究，车站的有限元计算模型见图2。

3.1温度及收缩的影响

3.1.1季节温差温度作用包括混凝土结构的温度效应和混凝土的收缩效应，其中温度效应包括均匀温度（季节温差）和温度梯度。由于混凝土属于热惰性材料，并考虑结构的工作环境，如涂料、内外装修、保温隔热等的影响，短期内的温度梯度对结构不会产生较大影响，温差的取值主要由季节温差控制。季节温差以后浇带浇注的月平均温度为基准，考虑升温和降温2种工况。深圳年基本气温为最低（Ts.min）8℃，最高（Ts.max）35℃。设计时往往不能准确地确定后浇带浇注工期，合拢温度通常是一个区间值。深圳地区一月的平均温度为（To.min）14.3℃，八月的平均温度（To.max）为28.3℃，则可要求后浇带浇注区间温度值为14.3～28.3℃。结构最大升温温差△Tt=Ts.max-To.min=35℃-14.3℃=20.7℃；结构最大降温温差△Tt′=Ts.min-To.max=8℃-28.3℃=-20.3℃。

3.1.2混凝土收缩温差混凝土早期水化热、骨料下沉、水分蒸发导致混凝土收缩变形，将混凝土收缩变形换算成温差，即混凝土的收缩当量温差。对于分段浇筑的钢筋混凝土结构，在施工期间已完成部分收缩，因此可考虑对混凝土收缩的影响在一定程度上折减。参考现行《铁路桥涵设计规范》的相关规定：对于分段灌筑的混凝土或钢筋混凝土结构可按降低温度10℃计算。故总降温温差△T=-20.3℃+（-10℃）=-30.3℃

3.1.3应力松弛温差和收缩应力都是在较长的时间内发生的。混凝土徐变产生的应力松弛，可降低温度效应的弹性应力。工程设计中考虑混凝土结构徐变影响的方式通常可简化为按常规方法算出弹性应力，再乘以松弛系数。温度力若只按弹性阶段进行设计，富余太大。因此可考虑对温差进行相应的折减，参考我国著名工程结构裂缝控制专家王铁梦教授《工程结构裂缝控制》一书，应力松弛系数可取0.2～0.5。也可参考文献[2]中考虑配筋率影响和徐变系数的应力松弛系数计算公式：式（1）中，χ(t，t0)为混凝土老化系数，其平均值为0.82；φ(t，t0)为文献[3]中的混凝土徐变系数。取加载时混凝土的龄期为7天，后浇带合龙时间为混凝土浇筑后2个月，则后浇带合龙时的徐变应力松弛系数约为R(60，7)=0.445。本工程结合设计经验，并考虑一定安全富余，最终取应力松弛系数为0.75。综上所述，温度荷载确定为：升温工况温差T=0.75×20.7℃=15.5℃；降温工况温差T′=0.75×（-30.3℃）=-22.7℃。按此降温温差参与荷载组合，在“主力+温度力”的工况下，车站边墩墩底弯矩为5464kN•m，其中单一降温工况引起的弯矩为2851kN•m，可见若只按弹性计算，容易导致边墩的设计不能满足规范的限值要求。

3.2墩柱刚度的影响

混凝土结构的长度并不是影响结构温度作用的唯一因素，外部约束和车站墩柱结构的纵向刚度也对温度作用下的内力有较大影响，该影响在车站边墩的内力分析中尤为显著。从计算分析可看出，车站墩柱刚度越大、约束越强，墩底弯矩也越大。选择合适的墩柱截面可以较合理地调整其纵向刚度，改善结构受力。本设计中经过不同截面的计算比选，确定合理墩柱截面为1.5m×1.3m。车站墩柱的刚度还可以通过墩高来调节，在不调整线路标高的情况下，增加车站墩柱的计算高度也比较有效。在设计中，把车站端部三跨的墩柱基顶标高降低以减弱其纵向刚度，经对比分析，最终采用的方案中，车站端部三跨的墩柱高度为11.5m，车站中部墩柱高度为9.0m。在不同墩高的计算对比中，端部墩柱高度由9.0m调整到11.5m后，边墩墩底弯矩在“主力+温度力”工况下，由5925kN•m降低到5464kN•m，内力改善效果明显。同时由于边墩加高变柔，在降温模式下，站厅层楼面墩柱对板的约束也降低了，板内拉应力也相应有一定减小。但这里需要注意，调节桥墩刚度的分析，须在满足上部各层刚度比和层间位移的前提下进行。

3.3后浇带的影响

在超长框架结构施工过程中，设置后浇带也是解决温度变化及混凝土收缩较有效的一种方法。在现行《铁路桥涵设计规范》中对分段灌注的混凝土结构产生收缩效应的等效温度值偏小，也是基于此考虑。本设计中共设置了3条0.8m宽的后浇带，将车站分割成长度约35m的4个节段，通过对比车站按整体浇注与设置后浇带分段浇筑时，边墩墩底在“主力+温度力”工况下的内力值，可以发现，设后浇带能降低混凝土收缩引起的内力值。整体浇筑时，边墩墩底弯矩为6417kN•m，设置3道后浇带后，边墩墩底弯矩为5464kN•m，内力改善效果明显。但设置后浇带只在施工过程中发挥作用，不能解决合龙后混凝土收缩及后期环境温度变化产生的内力。因此，在超长混凝土结构中，为减轻温度效应的影响，还需配合其他构造措施。

3.4构造措施

除了墩柱和框架纵横梁、各层梁板等主要受力钢筋需考虑温度作用下的荷载工况设计配置外，本设计中也考虑了其余配筋加强措施。如框架纵梁每侧腰筋要分担由降温产生的轴力，故按计算加强腰筋配置，并按受拉钢筋的要求进行锚固，以适应温度作用的影响。又如各层楼板的配筋均采用双层、双向拉通布置的布筋方式，为加强和利用约束作用，配筋率均有所提高；在含钢量不变时，采用直径小、间距密的配筋，有利于减小裂缝的开展，同时设计中也特别加强了构件节点的构造措施。考虑到防止高架车站混凝土结构开裂的重要性，应严格控制混凝土的入模温度与混凝土配合比，必要时需在混凝土中掺入一定比例的优质粉煤灰和高效复合减水剂，并应严格按相关规范进行混凝土养护。

4结语

针对本高架车站取消变形缝的要求，在结构设计中，通过选择恰当的设计输入参数，采用先进的模拟软件，对无伸缩缝钢筋混凝土结构的可靠性进行辅助验证。最终确定与本车站结构相适应的构件尺寸，并在此基础上加强构造和施工措施。解决了超长框架结构的温度效应带来的设计困难，防止结构产生较大内力与变形，既确保承载力的极限状态，又满足使用极限状态，较好实现了预期设计目标。

作者：杨林 董瀚潞 单位：中铁二院工程集团有限责任公司