随着城市拥堵问题日趋突出,轨道交通高架线路以建造速度快、成本低、运营维护相对简单等优势被业界广泛认可,得到了较多应用。目前,国内关于高架车站的结构设计研究仍处于起步阶段。尽管《地铁设计规范》(GB 50157—2013) ^[1](简称铁规)及《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909—2014) ^[2]专门提出了高架车站的结构设计章节,但规范条款较为原则,并未针对不同类型的车站作具体梳理,也未对结构设计和计算方法做细致的规定。本文针对目前存在一定设计争议的建-桥合建高架车站的结构设计给出一些建议,为类似工程提供借鉴和参考。

　　 目前已建及在建的高架车站形式基本分为两大类:建-桥分建形式及建-桥合建形式。

　　 建-桥分建形式即通过设置结构缝将车站建筑、桥梁相互分开,各自形成独立的结构单元。该类型车站结构受力明确,一般用于建设条件较好的路侧车站,如北京地铁15号线国展站(图1)、花梨坎站、后沙峪站(图2)等。此种类型车站主体按《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[3](简称建抗规)设计;轨道桥梁结构设计同区间桥梁。车站结构与桥梁结构执行各自的规范体系,设计人员较易明确并操作实施。

　　 建-桥合建形式的高架车站按主体与附属的相互关系大致分为两类:一种是以建筑为主体,轨道梁简支或刚接在主体结构的框架横梁上,此时高架车站与多层框架结构类似。另一种则是以桥梁为主体,站台、雨棚及楼扶梯等附属构件依附在轨道梁平台上,此时高架车站就是一座梁式桥 ^[4]。

　　 对以桥梁为主体的建-桥合建高架车站,车站主体结构按《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)(2009年版) ^[5](简称铁抗规)或《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ 166—2011) ^[6](简称桥抗规)的相关要求设计,依附其上的附属构件按建抗规设计。附属结构以荷载的形式施加于桥梁主体结构上。

　　 对以建筑为主体的建-桥合建高架车站,由于其整体结构形式更类似于多层框架结构,故按照铁抗规或桥抗规的要求设计不甚合理,仍应按建抗规的要求进行设计。然而,为了使直接承受轨道荷载的下部构件满足铁抗规和桥抗规的相关规定,需要对支撑轨道梁的下部构件依照铁抗规或桥抗规二次复核。

　　 将以建筑为主体的建-桥合建高架车站按横向(垂直轨道方向)的墩柱数量进一步细分,可划分为3柱2跨或以上、双柱或独柱大悬挑两种情况。对于3柱2跨或以上的车站,其主体一般为钢筋混凝土框架结构,轨道梁支承在框架横梁上,此时高架车站整体按建抗规设计,直接支撑上部轨道结构的构件按铁规或桥规复核即可 ^[1,2],如北京地铁15号线孙河站。当高架车站设于路中或受场地条件限制只允许双柱或独柱落地,为满足上部站台宽度的要求,往往形成双柱或独柱大悬挑高架车站 ^[4]。此种类型的车站结构冗余度较少,对抗震较为不利,根据要求需要进行抗震性能化设计 ^[3],双柱车站如北京地铁5号线大屯站(图3)、大羊坊站,独柱车站如重庆地铁3号线狮子坪站(图4)、翠云路站等。高架车站结构设计分类如图5所示。

　　 设计使用年限100年,结构安全等级一级,结构重要性系数1.1,设计基准期50年,结构抗震设防类别(建规)乙类,车站墩柱结构抗震设防类别(铁规)B类,建筑地基基础设计等级甲级,抗震设防基本烈度为7度时,抗震等级:框支梁柱一级,其余二级;抗震设防基本烈度为8度时,抗震等级:框支梁柱特一级,其余一级。整体结构规则性控制参数见表1。

　　 结构整体性能化设计标准及变形控制限值如表2所示。

　　 从表2看到,独柱车站的首层性能等级要求最高;双柱车站的首层与2柱单跨双悬挑(“开”字形)的车站2层性能等级相当;而3柱4跨的车站2层性能等级要求最低,基本同未按性能化的设计标准。

　　 某高架车站主体结构总长为120.00m,标准段宽度为20.600m,地面以上结构总高20.300m。车站采用建-桥合建结构形式,为3层钢筋混凝土框架结构,首层为设备层、2层为站厅层,站台板通过纵向结构小柱支撑于2层楼面上,形成站台板下电缆夹层,站台板上部设置钢结构雨棚。车站首层横向采用双柱单跨结构,2层采用4柱3跨结构。车站整体设置两道永久结构缝将车站划分为西部、中间、东部3个独立的结构单元,见图6,7。

　　 按照第3节中的车站结构形式分类,本车站属于以建筑为主体的建-桥合建高架车站,车站整体结构计算按建抗规执行,对直接承受列车荷载的梁、柱等主要结构受力构件,按铁抗规及桥抗规二次复核。本车站Y向采用双柱形式,应进行结构抗震性能化设计。

　　 根据安评报告,本车站结构抗震设防类别为重点设防类(乙类)。拟建场区抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.20g,设计地震分组为第一组,场地类别属于Ⅲ类,设计地震动加速度反应谱特征周期为0.45s。对应50年超越概率为63.2%,10%,2%的地面峰值加速度(分别对应多遇地震、设防地震、罕遇地震)、场地特征周期及水平地震作用影响系数最大值如表3所示。

　　 车站主要建筑尺寸(轴线尺寸)及构件尺寸见表4,框架柱、框架梁及楼板的混凝土强度等级为C40,C50,钢筋型号为HRB400。

　　 分别采用PKPM及MIDAS Civil软件进行分析计算。限于篇幅,仅列出中间段的主要计算结果,及部分首层梁柱构件的铁抗规二次复核结果。计算模型见图8。

　　 PKPM与MIDAS Civil计算的结构基本周期见表5,从表5可知:本车站第1振型为纵向平动,第2振型为横向平动,第3振型为扭转振动。第1扭转周期与第1平动周期之比均小于0.9,满足规范要求。

　　 PKPM与MIDAS Civil计算的结构层间位移角见表6,由表6可知:首层框架柱侧向位移满足性能等级2,即在中震作用下,层间位移角小于弹性层间位移角限值(1/550),2层在设计中虽按性能等级3控制(层间位移角限值1/275),但在保证框架柱配筋合理的情形下,所取用的框架柱截面也使2层的层间位移角小于弹性层间位移角限值(1/550),侧向位移满足性能等级2。

　　 轨道梁下墩柱顶纵向水平位移限值$\Delta \le 5\sqrt{L}(L=15\text{m},$为纵向跨度),横向水平位移限值$\Delta \le 4\sqrt{L},$因此纵、横向最大水平位移限值分别为19.4,15.5mm,PKPM与MIDAS Civil计算的结构顶点位移见表7。由表7可知:在中震作用下,本车站横向与纵向墩顶位移均满足相应的限值要求。

　　 典型框架柱配筋见表8。由表8可知框架柱配筋率均在合理范围。

　　 选取中间榀框架(⑥轴)下柱及该榀框架对应2层顶支撑轨道梁的框架横梁,相关构件铁抗规二次复核结果见表9。由表9可知:直接支撑轨道结构的下部主要框架梁柱的截面尺寸及配筋均满足铁抗规允许应力法的相关要求。

　　 在横向双柱车站体系中,首层柱墩、悬臂梁是整个车站最为重要的结构受力构件。若强震中首层柱墩或悬臂梁先于其他构件发生破坏,则会引起上部结构的连续垮塌 ^[8]。结构设计中对不同部位、不同重要程度的受力构件区别对待是符合性能化设计准则的,显然双柱车站首层框架柱及悬挑构件在设计中应予以加强。与此同时,在合理的限度内适当弱化4柱3跨的2层框架柱的刚度,有利于2层梁柱先于首层构件屈服,从而在大震来临之际充当耗能构件。结构设计应确保2层首先出现塑性铰,2层塑性铰的出现不但使整体结构刚度退化,减小了地震作用,而且其在强震中的滞回效应也可吸收大量的地震能量,确保首层重要的悬臂梁及墩柱结构构件不遭到破坏,从而更有利于整体结构的抗震性能 ^[9]。综上,设计中有必要控制车站结构塑性铰的开展顺序和范围,尽可能使2层的梁柱先于首层屈服。因此,设计中需要通过静力和动力弹塑性分析,得到结构在大震中各阶段的塑性铰状态,判断车站结构出现塑性铰的先后次序。

　　 采用MIDAS Civil软件进行了三维静力弹塑性分析(Push分析)和三维动力弹塑性分析,塑性铰采用FEMA铰。静力弹塑性分析共125个荷载步,动力弹塑性分析共2 500个迭代子步

　　 图9为车站结构塑性铰分布情况,由图9可知:首先在2层框架柱出现塑性铰,随着推覆的持续,2层有更多的框架柱开始屈服形成塑性铰,最后2层整体结构形成机构时,首层框架柱仍未有塑性铰产生。

　　 框架柱于第228子步(228×0.02=4.56s)开始出现塑性铰,位置在2层,塑性铰分布在柱顶部,见图10(a)。最终子步(2500×0.02=50s)塑性铰主要出现在2层,首层墩柱没有出现塑性铰,见图10(b)。

　　 由上述分析可知:车站结构首先在2层框架柱出现塑性铰,经历整个罕遇地震后,首层框架柱均未出现塑性铰。因此,通过合理调整主要构件的截面尺寸和配筋,可使双柱车站的2层构件先于首层框架梁柱屈服并形成塑性铰,率先进入刚度退化的耗能模式。本车站塑性铰开展的先后次序符合结构性能化设计的基本原则和要求。

　　 北京地铁5号线的某高架车站(2004年)是按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)(简称老抗规)进行设计的双柱车站,因老抗规尚未提出结构性能化设计的思路与概念,所以,不论从设计原则还是设计的具体标准都与建抗规存在一定的差别。为进一步探查新老规范变化对车站结构的截面和配筋造成的影响,对本文算例中的双柱车站(简称算例车站)与已经建成的北京地铁5号线的某高架车站(简称5号线车站)进行对比分析。

　　 5号线车站典型剖面如图11所示,车站主要建筑尺寸(轴线尺寸)及构件尺寸见表10,框架柱、框架梁及楼板的混凝土强度等级为C40,C50,钢筋型号为HRB400。

　　 算例车站与5号线车站存在以下3点不同:1)算例车站2层为4柱3跨形式,沿车站横向两端各有1根框架柱支承于2层悬挑盖梁之上;5号线车站无此框架柱,2层顶板楼盖同样采用大悬挑方式,为开字形车站。2)沿车站纵向的跨度差别较大,以中间段为例,算例车站跨度为13.7m和15m,而5号线车站跨度为9.49m和10.00m,算例车站的框架柱纵向跨度较大。3)算例车站首层均采用矩形截面的框架柱,而5号线车站首层及2层非角部的框架柱采用圆形截面。

　　 为了使两个工程的计算结果具备可比性,将算例车站进行适当调整和改造:1)将算例车站2层两侧的框架柱删除,同5号线车站一样形成2层顶板双悬挑方式;2)将算例车站的纵向跨度调整至与5号线车站一致;3)将算例车站首层与2层非角部框架柱截面改为圆形。改造后的算例车站(简称改造后车站)与5号线车站在结构形式、建筑尺寸、上覆荷载以及地震参数的取值上都保持一致。

　　 5号线车站按照老抗规计算,而改造后车站按照前文所述方法和标准进行性能化设计。基本的对比思路是:通过反复试算,不断调整改造后车站的首层及2层框架柱的截面尺寸,使计算后的框架柱配筋与5号线车站的实配钢筋相当,然后比较此时改造后车站所采用的框架柱截面与5号线车站的框架柱截面尺寸差别,最终比较新老规范对于双柱形式车站设计标准和安全储备的提高程度。

　　 限于篇幅,具体演算过程从略,最终计算结果见表11。通过表11可知:当改造后车站与5号线车站配筋率相差不多时,按照中震弹性设计后的首层框架柱截面尺寸较5号线车站增大了约50%左右,按照中震不屈服设计后的2层框架柱截面尺寸与5号线车站截面相当。

　　 把改造后车站的首层强制按照中震不屈服的标准再次进行演算,计算结果见表12。由表12可知按照中震不屈服设计后的首层框架柱截面尺寸与5号线车站截面相当。

　　 (1)对以建筑为主建-桥合建高架车站,其整体结构计算应按照建抗规执行,直接支承上部轨道结构的主体结构构件按照铁抗规或桥抗规复核;对首层横向为双柱或独柱的高架车站,应进行结构抗震性能化设计。同时,明确了以建筑为主建-桥合建高架车站的结构性能化设计标准和主要设计参数。

　　 (2)通过实际算例,表明所述方法综合了现行建抗规、铁抗规或桥抗规的相关要求,并最大程度满足了上述规范的规定,具体操作切实可行,且制定的标准和设计参数相对合理。

　　 (3)在基本条件和参数相同的情况下,分析了按新老规范计算的双柱车站墩柱截面,得出中震不屈服条件下,建抗规性能化设计较老抗规安全储备相当,而在中震弹性的条件下,建抗规性能化设计较老抗规安全储备提高约50%。