上海城市轨道交通明珠线车站结构设计

1、前言
　　高架轨道交通是现代化城市、整体公共交通服务设施之一，它有效合理地组织客流，解决城市面临交通堵塞、拥挤现象，使其在时间、空间上做到有机衔接，使地面、地下、高架的各种交通方式形成立体网络。目前世界上有32个国家82座城市有快速轨道运输系统无论是西方发达国家，还是发展中国家和地区都持续、广泛地在都市区域发展轨道交通系统，巴黎有17条线，总长302km，莫斯科有9条，线总长230km，东京有13条线路，亚太地区在新加坡、汉城、台北等也都建设了轨道交通系统。近几年来，人们越来越认识到城市交通是城市赖以生存和发展的基础，直接影响城市功能的发挥和社会经济繁荣，轨道交通是解决城市交通的理想工具，因此，轨道交通建设是城市现代化的重要标志之一。
　　上海城市轨道交通明珠线是国内除香港特区外的第一条高架轻轨交通线，它沟通中心城区与南北两翼的客运交通，是上海市主体交通中一条大运能的客流设施，采用高架方案与修建一般轨道交通线相比，有征地拆迁量少，施工简单、开工面宽、对道路交通干扰小、影响地下管线少等有利条件，因而相对投资少、工期短、成本回收较快、建成后会收到运输客流效率高、缓冲地面交通拥挤、明显节约用地的功效。
　　2、工程概况上海城市轨道交通明珠线现已在紧张的施工中，一期工程共有19个车站，其中大部分为二、三层车站，笔者承担江湾镇车站的结构设计。该站为“高架三层双侧式站台”的车站，总建筑面积为10728.3m2，站房规模按2020年最大客流量23576人次设计，站内桥梁轨面绝对标高为14.8米。底层架空通行人流、车流，局部半地下室；一期建成车站总长度为150米，远期发展为190米，按8节车厢编组，车站宽22.2米，檐口高度17.4米，沿车站总长三分点处设置两道伸缩缝，将车站分为南、北、中三段，站房底层除中段设降压变电所外，其余均为敞开，二层中段为设备及管理用房，南北两段为售票厅及站厅，三层为站台层，并在二、三层间设通长电缆夹层。
　　车站采用现浇钢筋砼框架结构，行车部分桥道板采用板式橡胶支座简支在站房横向框架梁上，屋面为螺栓球节点钢网架结构，基础采用锤击高强预应力离心砼管桩（PHC桩）。
　　3、上部结构设计
　　3.1结构布置高架轻轨车站的站房结构不同于一般的房屋建筑，它既有列车通过又有列车制动停留在站内的工况，它是桥梁和房建融汇一起的结构体系，在结构选型时，有二种方案：一种为桥、建结合方案，另一种为桥、建分开方案，二种方案各有优、缺点，后者：则受力明确，传力简捷，桥与建各有现行的国家规范可循，各有比较定型的结构设计与计算方法；但桥与建分离体系需增加柱网，并切断了框架结构纵、横向联系，削弱了结构的整体性，不利于结构抗震；前者：是把桥墩作为房屋框架结构的一部分，框架纵、横梁对桥墩均能起到约束作用，减少了桥墩计算高度、柱网简单、降低了线路标高和建筑标高，便于使用，从而可节省工程造价；但桥、建合一，没有现行统一的规范与标准可循，设计时，必须对不同的构件，采用两种不同的规范进行综合分析，结构计算也颇为复杂。
　　本车站因受站内轨顶标高的限制及城市规划对底层净高的要求，只能采用桥、建结合的型式，上部结构为全框架，设计中力求尽可能减少柱、墩占用的面积，以利平面布置，根据桥道板的跨度及厚度，纵向柱距定为10米，横向22.2米宽，原设计方案设四排柱，经计算分析后，改为三排柱并满足柱顶水平位移限值及横梁挠度要求，从而降低了上、下部结构的工程造价，便于建筑平面灵活布置。
　　3.2结构设计原则
　　3.2.1车站建筑结构的安全等级按“一级”要求进行设计；
　　3.2.2保证本建筑有足够的承载力，刚度和稳定性，在设计结构关键部位时留有一定余地以策安全。
　　3.2.3车站结构的抗震按“乙类”建筑，地震设计烈度按7度计算，并按8度抗震构造措施。
　　3.2.4框架抗震等极按“二级”考虑。
　　3.2.5车站结构设计不仅满足建筑结构设计规范，对直接承受行车部分传来的荷载的主要构件同时必须满足铁路桥涵设计规范。
　　3.3结构计算我国对不同类型的结构是采用不同的计算方法，普通钢筋砼桥基本上采用容许应力法计算，这是由于在其设计中起控制作用的问题往往是使用荷载下的疲劳，故宜按弹性工作分析并取用较大的安全系数，房屋结构方面是按极限状态法计算的，考虑受弯构件破坏前的弹塑性工作阶段，能更好地反映实际工作情况。
　　结合车站的特点，考虑到列车在站内及进出站时行驶速度均比在区间桥内的行驶速度慢得多，列车行驶所产生的纵向力对整个结构的影响也相对较小，经分析，在车站结构构件设计中，除了桥道板、直接搁置桥道板的框架横梁、框架柱采用容许应力法计算外，其余构件均按极限状态法计算。
　　3.3.1荷载取值通过本工程结构构件的受力分析，综合所有各种可能对结构产生内力的荷载，将荷载分为主力、附加力、特殊力三类，在设计中，部分荷载（一般房屋建筑设计中不考虑的荷载）的取值按如下原则：
　　（1）车辆静活载图式见图3，根据列车轮位所处位置的变化而产生内力的影响线，经计算得出：满载时，对中支座，轮位最不利时产生的最大支座反力Rutm=445KN，对边支座、轮位最不利时产生的支座最大反力Rstm=355KN，在分析最不利荷载情况下，为减少荷载组合组数，当站内线路有车时，对中间跨框架梁集中力均取445KN，边跨梁均取355KN.
　　（2）车站位于线路弯道时，列车离心力根据行驶速度、弯道半径求得，列车在站内行驶速度：空载时V=60Km/h，满载时V=30Km/h.
　　（3）冲击力为列车静活载产生的力乘以冲击系数，本设计冲击系数根据桥道板的跨度推算为1.334.
　　（4）列车制动力或牵引力：站内单线有车时取车辆静活载产生力的15%计算，站内双线有车时，取车辆静活载产生力的10%计算。
　　（5）列车横向摇摆力取4.25KN/m；
　　（6）伸缩力（T1）、挠曲力（T2），断轨力（T3）均由铁道部科学研究院提供，作用在10米梁下：T1=4.812KN，T3=50.4KN，T2很小，忽略不计。
　　（7）温度变化的影响按杆件升温20.或降温15℃来计算。
　　（8）支座差异沉降量取0.5厘米，差异沉降是由各支座的不均匀沉降引起的，考虑沉降产生过程是在很缓慢时间中形成的，故按1厘米的支座沉降差乘50%来计算，即取0.5厘米的差异沉降作为计算值。
　　3.3.2框架横梁（KJL）和框架柱（KJZ）的计算。
　　本车站结构设计的重点之一即对框架横梁及框架柱的计算、配筋，根据文献［2］规定：采用容许应力法计算，对不同的内力组合，将材料的容许应力乘以不同的提高系数，根据结构的特性，就其可能的最不利内力组合情况进行计算，为此，计算前，首先要对所有内力进行组合分析。站内存在单线有车，双线有车，双线均无车等几种可能工况，再考虑主力、主力与附加力、主力与特殊力的几种内力分别组合，对横向框架和纵向框架、列出所有可能出现的各种内力组合，经分析比较，排除了部分对内力计算结果不起控制作用的组合，最后，纵、横向框架均按表1、表2所列内力组合进行内力计算，其中表1为横向框架内力组合，表2为纵向框架内力组合。
　　对横向框架计算仅取①轴（边跨）和④轴（中跨）分别进行内力组合及配筋计算，求得中、边跨横梁配筋及框架中、边柱横向的配筋，计算结果表明：组合ⅠB是最不利内力组合，其计算结果所需配筋最多，支座差异沉降产生的内力较大，是不可忽视因素；温度变化对杆件内力 影响较小，可略而不计。
　　对纵向框架计算取？轴和？轴进行内力组合及配筋计算，求得框架中、边柱纵向的配筋，计算结果表明与横向框架截然不同，组合ⅡB是最不利内力组合，温度变化对构件内力影响很大，而支座差异沉降产生的内力则较小。
　　3.3.3两种计算方法结果比较除上述KJL及KJZ外，车站其余结构杆件均按建筑规范设计，即按极限状态法计算。由于车站结构设计中同时采用容许应力法和极限状态法两种方法，其计算结果究竟相差多少呢？这是一个关注的问题，为此，设计中笔者取同一构件采用两种计算方法加以比较，从计算结果分析可粗略得出以下结论：按极限状态法计算，其内力约为容许应力法的1.2～1.3倍，对于配筋，则容许应力法约为极限状态法的1.4～1.7倍。
　　4　基础设计4.1工程地质概况：本车站所处场地工程地质条件较为复杂，南段为古河道，北段为古河道边缘，均为第⑤层粘性土及粉性土充分发育地段，场地土为Ⅳ类，地层分布及其主要指标见表3
　　4.2 PHC桩桩基设计由于车站落在软土地基上，为了确保各基础的沉降差异在1厘米范围内，使车站二端与区间桥衔接处不均匀沉降差满足轨道设计要求，经多方案分析比较，并考虑与区间桥桥墩基础类型一致，最后选用桩基方案，选择⑤2砂质粉土层作为桩基持力层，要求桩端全断面进入持力层深度不小于3d（d为桩直径），桩采用600锤击高强预应力离心砼管桩（PHC桩），平均桩长36米，单桩竖向承载力为1250KN，总桩数257根。
　　一般沉桩时，由于桩锤的作用，桩身内产生压、拉交变应力，根据上海地区统计资料［8］：钢筋砼桩，锤击拉应力最大值达12.74MPa，锤击压应力最大值达32.93MPa，而PHC桩锤击拉应力最大值达（5.8-8.3）MPa，锤击压应力最大值达26MPa，从上述资料分析对比，可以看出：PHC桩在沉桩过程中锤击拉、压应力相对较小，未超过砼拉压强度，可避免桩在施打过程中发生破损、断裂。除此之外，在施工中采取“重锤轻击”，严格控制锤击数不超2000击、碟簧桩帽等有效措施，就能保证桩身质量，提高沉桩效率。
　　由于严格要求基础沉降差异在1厘米之内，为此笔者选取相邻两对基础（②轴中、边柱基础）进行沉降量计算。把桩基承台、桩群及桩间土作为实体基础，不考虑桩身压力扩散角，根据文献［6］所提供公式，采用分层总和法计算各自地基沉降量分别为9.85cm、8.94cm，其沉降差△=9.85-8.94=0.91cm.满足设计要求。
　　5、结束语
　　5.1由于本工程对荷载取值及内力组合作了大量分析与计算工作，因此设计同类型车站时可参考表2、表3所提供内容进行内力组合。
　　5.2本设计中采用两种不同规范，由于编制两种规范的基准点不一（一种是容许应力法，另一种是极限状态法），因此对计算结果作了初步分析比较，按容许应力法计算，其配筋约为极根状态法的1.4～1.7倍，对于内力，极限状态法约为容许应力法的1.2～1.3倍。
　　5.3对框架内力分析得出结论：车站纵向框架，因构件温度变化所产生的内力较大，是不可忽视因素。车站横向框架，因支座差异沉降所产生的内力应予以计算。
　　5.4选用砂质粉土层作为桩基持力层，经沉降计算均能满足基础沉降差异1厘米的要求。
　　5.5 PHC桩具有诸多优点，应在预制桩选型中优先采用。
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