摘 要:在高架道路和高架地铁的一体化车站结构设计中, 需要解决大跨度、大悬臂以及无现成设计规范可供指导等难题,介绍采取的设计原则、计算方法和技术措施。
1 工程概况
长江路站是上海市共和新路高架工程的高架车站,自上而下为宽25 m 的6 车道高架道路、地铁1 号线北延伸的高架车站、6 快2 慢的地面道路, 是一座高架地铁与高架道路相结合的一体化高架车站。
车站按6 节编组为150 m 长, 预留8 节编组190 m 长的建设条件( 后已实施), 站位呈南北向, 座落在长江西路与共和新路交叉口的路中, 该2 条道路都是50 m 宽的城市主干道。为保证地面道路的畅通, 车站中段的地面架空作为长江西路车行道, 站厅和管理设备用房设在南北两端共和新路路中10 m 宽的绿化带内, 底层和半地下室作设备用房, 夹层作站厅, 二层通长为站台层, 顶部是25 m 宽的高架道路。
2 车站结构形式及特点
根据站址的特定条件和车站的功能要求,确定了以下的结构形式。
(1) 主结构采用二层双柱二阶双悬臂现浇钢筋混凝土框架结构, 第一阶悬臂长5. 6 m , 第二阶悬臂长4. 8 m , 结构模板横剖面见图1 。由于悬臂长、荷载大, 框架横梁采用后张预应力钢筋混凝土结构, 以提高结构的抗裂度。
(2) 纵向柱距自南向北:20 m + 40 m + 30 m + 30 m + 30 m , 第2 跨和第5 跨的底层和夹层内插10 m 跨度的小柱作站厅结构。由于跨度大, 又承受公路、地铁和建筑结构等不同荷载,因而构件形式较多,分别为:顶层高架道路的承重结构采用预应力钢筋混凝土T 梁, 简支在主框架的上盖梁上, 20 m 和30 m 跨的轨道梁和站台梁都采用钢筋混凝土箱梁,10 m 跨的轨道梁采用钢筋混凝土板梁, 简支在下盖梁上, 其余10 m 跨度的 Set lineObj = ThisDrawing. ModelSpace . AddLine ( start Point , end2 Point) 式中, start Point 是指直线的起点坐标, endPoint 是指直线的终点坐标。
在开发过程中, 还可根据需要创建各类设计元素。如在6502 电气集中的设计中需要将各类信号机、道岔、设备、组合定型图等事先定义成块, 再使用Add 方法添加对象到模型空间, 对象创建后, 可通过开发工具程序更改对象的图层、颜色和线型等属性; 也可添加文本以注释图形。当然, 在开发过程中会涉及到诸如数据库技术、面向对象技术等关键技术, 限于篇幅, 不再赘述。
3 结论
铁路信号计算机辅助设计具有准确率高、设计周期短、经济效益明显等诸多优点, 是未来信号设计的发展方向。而ActiveX Automation 技术的完全具有面向对象化编程的特点, 可以与AutoCAD 方便地集成, 而且开发工具的选择也具有很大的灵活性。所以, 利用ActiveX Automation 技术对铁路信号计算机辅助设计进行符合其自身特点的二次开发不仅是可能的, 而且具有深远的意义。笔者在此仅提出了一个初步的框架和一种思路, 具体的开发过程尚需做更多的工作。参考文献:
[1 ] 徐有政. 车站信号设计中的CAD 系统( Internet) .
[2 ] AutoCAD 二次开发工具综述( Internet) .
6 4 铁道标准设计
结构采用一般钢筋混凝土梁、板结构。
(1) 人行天桥跨度为21 m , 结构高度受严格控制, 因而采用钢结构。
(2) 由于高架轨道交通的沉降要求相当高,且站址范围的地下管线复杂, 车站柱基础采用钢筋混凝土钻孔灌注桩基础。
3 设计原则与计算方法
一体化车站上层为高架道路, 下层(中间) 为高架地铁和车站,梁部结构各自独立,受力是明确的;但是, 桥墩为超静定二层框架,同时承受上层道路、下层地铁以及车站荷载的作用。现有混凝土结构设计规范系列中,建筑结构规范采用以概率理论为基础的极限状态法,公路桥涵规范采用三系数表达的半概率极限状态法,而轨道交通桥梁设计目前尚无规范。这样,一体化车站桥墩采用何种规范进行设计, 是设计中首要解决的问题。同时,作用在一体化车站桥墩上的轨道交通长钢轨附加力( 伸缩力、挠曲力、断轨力) 的取值和组合,以及抗震设计都是必须解决的重大问题。为此,车站一体化桥墩各部位采用了不同的设计计算方法, 具体做法如下。
(1) 上盖梁及上立柱, 主要承受上层高架道路荷载,受下层地铁和车站荷载的影响较小,直接采用公路规范进行设计。
(2) 下盖梁及下立柱同时承受上层道路、下层轨道交通及车站建筑荷载,分别采用公路、铁路和建筑结构3 种规范进行设计,取其安全者,以确保结构安全。
(3) 站厅、站台、夹层的框架纵梁和楼板采用建筑规范进行设计。
(4) 地震基本烈度按7 度考虑,并根据高架道路可能产生的几种不同工况, 采用PKPM 计算程序进行多种结构抗震计算。地震力计算按振型分解反应谱法进行,按最不利情况进行结构配筋,并对砌体部分按规定设置了钢筋混凝土圈梁和构造柱。
4 结构分析与计算
4 . 1 一体化车站桥墩结构分析与计算
一体化车站高架桥墩上层承受高架道路荷载, 下层承受地铁和建筑荷载, 结构受力大, 错综复杂。因此,分析一体化车站高架桥墩所受的荷载及其合理组合是整个设计的第一步。
(1) 荷载分析
根据受力分析, 车站一体化桥墩除一般的铁路和城市道路桥梁荷载外,还有建筑荷载、设备荷载和钢轨纵向附加力。其中, 建筑设备荷载和钢轨伸缩力T1 、钢轨挠曲力T2 属主力, 而钢轨断轨力则属于特殊荷载, 因此,设计根据可能同时出现的永久荷载、可变荷载及偶然荷载进行组合,以求得结构的最不利工况。对于预应力盖梁,还根据施工程序及预应力束的张拉顺序,分阶段分批进行组合。
(2) 结构分析计算模式
车站一体化桥墩受上述各种荷载的组合作用, 为空间受力状态,为简化计算, 可将其分为纵向、横向及水平扭转3 种受力状态进行分析。纵向作用力按站内每个桥墩的纵向水平刚度及扭转刚度进行分配。每个桥墩在竖向、横向力的作用时按平面刚架进行分析,由竖向力偏心产生的影响又按偏心压杆构件进行分析。同样,盖梁也按3 个受力状态进行分析。最后, 进行3 个方向受力的合成,算出上下盖梁和上下立柱的内力。
(3) 上盖梁设计
按公路全预应力构件设计,计算时考虑温度、混凝土收缩与徐变的影响。由于上盖梁跨中弯矩与上立柱处负弯矩比例适中,预应力束按连续方式布置, 如图2 所示。
但上盖梁张拉顺序有两种情况, 一种预应力束在架梁前一次张拉完成,另一种分两批张拉,架梁前张拉第一批, 架梁后张拉第二批。预应力筋采用ASTM16 90a 标准270 级<15. 24 高强度低松弛钢绞线,标准强度 Ryb = 1 860 MPa , E= 1. 95 ×105MPa ,张拉控制应力σk = 0. 75 Ryb ,锚具为OVM 型群锚。
(4) 下盖梁设计
下盖梁虽高,但顶层高架道路桥墩全部作用在下盖梁的双悬臂上, 为防止裂缝, 也按全预应力构件设计;同时参考规范中有关深梁的构造要求,加密箍筋和水平钢筋,并将下层纵向钢筋全部穿过立柱伸至梁端, 预应力束布置如图3 所示。
预应力束分3 批张拉, 混凝土达到设计强度后张拉第一批,浇筑上柱上盖梁后张拉第二批,架设轨道梁和站台梁后张拉第三批, 然后才架设上层道路梁和施工车站建筑结构。
(5) 站台以下框架纵梁、楼板、次梁设计
采用PKPM 计算程序, 按普通钢筋混凝土结构构件进行设计,对不同跨度的框架梁采用了不同的设计断面,特别对桥梁结构与建筑连接处框架断面进行适当调整。
(6) 墩柱配筋设计
墩柱配筋由纵向和横向双向偏心受压控制设计。如果简单地按纵向偏心受压和横向偏心受压各自计算然后相加是错误的。然而, 目前公路和铁路桥规上尚缺少有关矩形截面构件双向偏心受压的计算规定, 所以设计时按建规N . V . Nikitin 公式计算, 适当予以扩大,使配筋较为合理。
4. 2 人行天桥的结构分析与计算
长江路站共设4 座跨越共和新路的人行天桥, 桥面净宽5 m , 沿共和新路一侧各布置2 座3 m 宽人行扶梯和自动扶梯, 与地面相接。跨路的梁跨21 m , 悬臂伸长4. 5 m 。梁一端支承在由钢柱和钢盖梁构成的桥墩上,另一端支承在站厅的预应力混凝土悬臂梁上。
(1) 钢梁设计车站站厅面高程和天桥下机动车道净高限制,天桥上部结构建筑高度仅有50 cm , 经研究, 将上承式全焊钢板梁中间过渡为半穿下承式全焊钢板梁, 钢梁因此设计成S 形曲梁,见图4 。
图4 S 形曲梁示意(单位: mm)
根据有关文献,S 形曲线半径取8. 4 m , 使按曲梁计算与按直梁计算的结果接近。为保证钢梁主梁的受压翼缘稳定得到满足, 横梁间距取2. 5 m 。经计算, 钢梁主梁最大剪应力考虑楔形影响时为123 MPa , 主梁上翼缘弯曲正应力考虑稳定时为118 MPa , 在人群活载作用下,主梁竖向最大挠度f= 17. 4 mm ,挠跨比为1/ 1150 , 钢梁主跨竖向自振频率为4. 2 Hz , 悬臂跨为
11. 8 Hz ,以上均满足有关规范的各项要求。
(2) 双排双悬臂盖梁的分析与计算为支承人行天桥,车站在轴之间各设置了1 组2 排Π 形刚架,2 排刚架盖梁横向相连呈井字形, 盖梁悬臂长6. 5 m , 21 m 跨的人行天桥S 形钢梁就固定在盖梁的悬臂端。为保证结构安全可靠,特将刚架进行空间杆系受力分析,并用ANSYS 有限元分析软件进行校核,由于悬臂长,又受建筑高度限制,故此方向盖梁必须设预应力,预应力束布置见图5 。分2 批张拉,第二批束在架梁后张拉,同时,悬臂端还按牛腿计算,局部加强钢筋。
图5 双排双悬臂盖梁预应力束布置示意(单位: mm)
5 施工技术措施
在车站一体化结构施工中,由于预应力的作用,盖梁会发生上下挠曲变形,而建筑结构又与盖梁固接,故有可能引起楼面梁板产生裂缝。因此在施工过程中, 将相距较近、预应力盖梁挠曲变形相差较大的两盖梁之间的楼面梁、板在1/ 3 处暂时断开,待预应力盖梁变形大部分结束后再二次灌筑混凝土连接。经过实践证明效果良好,没有引起梁板产生裂缝。
