城市轨道交通高架车站结构类型研究

城市轨道交通高架车站结构类型研究

1车站结构分类高架站的结构已经发展。从国外第一个高架站到今天的许多高架站，它已经经历了100多年的历史。我国的城市轨道交通高架车站发展从2000年12月26日国内第一条高架结构上海轨道交通3号线(明珠线)开始,到现今已经有10年之久的历程,其中车站结构主要是同建筑方案配合协调,常规结构即可以实现。对于少数高架站,结构有很大突破,比如长春市轨道交通4号线三期工程的卫星路高架站和重庆1号线大学城站车站结构按照受力模式,可分为“桥-建”结合和“桥-建”分离两大类,这里先用两个典型车站的实景图(图1、图2)来说明,后面将从受力角度详细论述分类。我国各城市的高架车站建成数量很多,并且已成规模。但是若在工程建设前期过程中,忽略了车站的具体适用条件以及各自的结构特点等因素,就会习惯按照“一线一景”的常规模式,采用单一结构类型车站,这就可能会对车站的使用功能产生不同的影响。本文对车站结构进行分类研究,从结构角度综合各种车站的适用条件,充分把握各类车站结构的优缺点,以弥补现行规范分类模糊的不足。此外在目前高架线路规划时,要对高架车站进行拟定,并考虑绿色、人文以及可持续发展的因素,这就对城市轨道交通高架车站的结构类型分类和适用准确定位提出了更高的要求,本文试图对新发展并实施的高架车站结构形式做概括和总结,建议对现行规范的相应条文做补充和完善。2国内主要城市轨道交通高架车站分布及结构特点经过数十年的发展建设,目前已经在北京、上海、广州等大城市的轨道交通工程中建成了数量较多的高架车站,现将国内主要城市的轨道交通高架车站做了详细统计,各站种类和结构形式见表1。从表1可以看出,目前高架车站结构以“桥-建”结合为主,其中高架站在新建总车站数量比例,最小为广州5号线一期,占10%,最大为上海5号线,占91%。另外,通过对北京各高架站的实地量测,高架车站跨度均采用10～16m的中小跨径。3“桥-建”与“桥-建”分离的地铁设计方法高架车站的结构形式根据站厅、站台结构与行车轨道结构的关系,即高架车站中承受车辆荷载的轨道梁结构与承受非车辆荷载的其他主体结构是否脱开,可归纳为“桥-建”结合和“桥-建”分离两大类。现行地铁设计规范就是这样划分的。但目前存在多种新的结构形式,按照现行规范无法准确划分描述其受力特点。3.1车辆荷载的承担该种车站类型形式比较单一,受力分析也比较清晰,主要是车站主体结构的行车梁部分承担车辆荷载,而车站结构其他部分承担除车辆荷载之外的一切荷载。已建成的主要有北京地铁5号线的天通苑站(图3)、15号线的国展车站以及上海莘闵线的大部分车站。3.2桥-建-连接方式为刚接接点此类结构可根据主体结构横向墩柱受力表现形式(单柱或者双柱、三柱或三柱以上),以及轨道结构与主体结构连接方式(刚接、支座铰接)等形式分为4类,详细情况见表2。以下分别就实例来说明各种“桥-建”结合结构体系类型。第一种:纯桥支承式“桥-建”结合结构体系。特征是横向墩柱数量小于3个,轨道结构连接方式为铰接。此类车站如长春轻轨4号线三期工程卫星路站(图4)、上海地铁8号线浦江家园站(图5)。第二种:以桥为主式“桥-建”结合结构体系。特征是横向墩柱数量小于3个,轨道结构连接方式为刚接。此类车站主要是重庆1号线大学城站(图6)、深圳地铁4号线白石龙车站(图7)等一大批路中侧式站均采用此类型。第三种:以建为主式“桥-建”结合结构体系。特征是横向墩柱数量大于3个,轨道结构连接方式为铰接。此类车站应用较多,主要是以南京地铁2号线东延线工程的仙鹤门站、宁波1号线五乡站(图8)、长春4号线车场站(图9)等一大批路侧车站应用,侧式或岛式站均可以采用此类型。第四种:纯建支承式“桥-建”结合结构体系。特征是横向墩柱数量≥3个,轨道结构连接方式为刚接。此类车站应用不算太多,特别是当目前车站的舒适度要求,一般轨道结构下采用支座以达到减振降噪的应用,侧式或岛式站均可以采用此类型。当墩柱数目较多时,可转化为类型三,只有当高程等有限制要求时,才予以采用此类型方案。目前有应用的是北京地铁14号线张郭庄站等车站(图10)。4高架站结构技术的特点和应用分析4.1全桥结构体系中的跨径设计该种车站类型形式比较单一,受力分析也比较清晰,主要是车站主体结构的行车梁承担车辆荷载,而车站结构其他部分承担除车辆荷载之外的一切荷载。特别适用于对用地不是非常紧张,对墩柱没有严格的景观需求的地方。车站行车梁部分跨径可按照桥梁自由设置,经济跨径为30m,梁型也比较自由,可根据具体情况选用。行车梁以外的部分为框架结构,经济跨径为10～12m,此跨径也同样适用于下面提到的第二大类:“桥-建”结合结构。根据行车梁部分跨径综合选用,最好形成倍数关系,可以使桥下墩子布局美观,视觉上更少一些。4.2桥-建-桥结合结构节点分析该种车站的4种类型:纯桥支承式、以桥为主式、以建为主式、纯建支承式,受力分析各不相同,第一种纯桥支承式和第二种以桥为主式的“桥-建”结合结构最明显共同特征是横向柱子少,要按照桥梁受力特性去分析。(1)地面下行车道、高架该体系是将车站的站台梁与桥梁的墩柱(横向少于3柱时)固结,但轨道结构与车站用支座结构铰接。车站结构整体性好,墩柱数目较少,与地面行车道之间一般没有冲突和干扰。因而设计中常常被采用。这是因为若高架线路沿着既有的城市道路中央分隔带布置,高架车站一般布置成路中高架侧式车站,此时车站下需保证行车道的净空,加上其减振降噪效果明显,因此应用较多。缺点:墩柱较少,抗震不利,需要增加墩柱尺寸和配筋数量。需要考虑轨道结构梁的截面尺寸和支座空间高度,按照限界要求,建筑高度较大,造价高。(2)两组荷载与上面提到的纯桥支撑式的结构所不同的就是轨道结构的支撑方式,也就是传递荷载方式。采用刚接时,可承受传递弯矩等不利荷载,其建筑高度降低,减少造价。缺点:墩柱较少,抗震不利,需要增大墩柱尺寸和配钢筋数量。同时,当列车以一定速度通过高架车站时,高架车站会产生振动。框架结构的动力稳定性因为缺少支座的缓冲作用,一般比通过支座铰接连接结构差,因没有支座的缓冲作用,导致车站内振动、噪声较大,这对目前车站舒适性要求相悖,因此应慎重采用。(3)纵向车站结构联长小此类车站是目前最常用的一种类型。主要考虑到其适用性广,而且由于此类结构横向两侧立柱上可以承担较大荷载,因此钢结构罩棚的造型可以有较大程度的发挥。抗震性能好,地震力分担到每个墩柱,由于墩柱较多,因此每个墩柱的尺寸都比较小,在车站内的视觉效果比较好。缺点:跨径比较小,不通透,主要是由于考虑其上钢结构的立柱檩条长度。另外,纵向车站结构联长较大的时候(>55m时),需要设置温度变形缝。一般采用双柱形式,这会对整体车站外部韵律景观造成不利影响。(4)侧式或岛式站与第三种类型不同的就是轨道结构刚接在主体结构上,此种类型车站应用不多,特别是当目前车站的舒适度要求,一般轨道结构下需采用支座以达到减振降噪的作用,侧式或岛式站均可以采用第三种类型。但只有当站台层高程严格受限时,才予以采用此类型方案。高架车站先形成以空间框架为主的建筑结构,再在其上形成连续楼板,承轨台直接作用其上。轨道纵梁与框架横梁刚接。该结构体系受力合理,结构整体性和稳定性好。缺点:受载不均匀,易造成基础的不均匀沉降,特别是在地质不良的地段。一旦发生基础不均匀沉降将损坏结构,且修复困难。故有条件时不推荐使用。5站的分类方法综上所述,通过对高架车站结构进行系统的调查和分析,并按照车站结构的受力特性结合车站建筑、设备的功能和要求,结合之前做过的长春、深圳、北京等多类高架站结构的经验,深层次分析得出高架车站的分类方法,即:高架车站结构服务于车站功能需求,虽然站台、站厅层结构受力复杂,但可根据站厅、站台结构与行车轨道结构的关系,即高架车站中承受车辆荷载的轨道梁结构与承受非车辆荷载的其他主体结构是否脱开