“桥建合一”高架车站中收缩、徐变及温度力影响的分析
摘要：结合高架车站设计实例，对空间刚架体系的“桥建合一”高架车站结构中收缩、徐变以及温度的影响进行分析，并根据分析结果给出建议性的控制措施。 关键词：桥建合一，高架车站，收缩，徐变，温度
Analysis of Effects Caused by Shrinkage，Creep and Temperature on Overhead Station
Designed by the Method of Combination of Bridge and Building
Abstract：Several restraining measures on overhead station designed by the method of combination of bridge and building are presented through the analysis of effects caused by shrinkage，creep and temperature.
Key words：combination of bridge and building，overhead station, shrinkage，creep，temperature
1．概述
我国城市轨道交通建设正面临大发展的机遇。城市轨道交通体系按走行方式划分为地面、地下和高架三种。城市轨道交通建设的高架化，使高架车站应运而生。高架车站属地上高架结构,轨道列车运行于结构最上层。高架车站既不是单一的房屋结构,也不是单一的桥梁结构,而是桥梁和房建融合在一起的结构体系。根据高架车站轨道梁与站房之间的关系，高架车站可分为两类：“桥建分离”(即区间桥梁与车站站房完全分开)与“桥建合一”(即区间桥梁与车站站房合修) （见图1、图2）。“桥建合一”的高架车站中桥梁的盖梁、墩柱、基础为桥梁结构和房建结构共有，桥梁的横向框架通过房建结构纵向梁板整体联结，形成空间框架体系，承受列车荷载作用的轨道梁支撑于桥梁的横向框架之上。两种不同类型的车站各有不同的特点：“桥建分离”的结构形式虽然结构受力明确，方便设计，但后者却方便乘客换乘、且结构紧凑、整体性强，随着设计理论的完善和设计工具的进步，后者将在设计中具有更强的竞争力。
车站结构中不可忽视的收缩、徐变及温度力通常是这种“桥建合一”高架车站结构设计中的控制因素，本文结合高架车站设计实例，从受力分析以及构造措施上做了一些探讨，以供城市轨道交通高架车站结构设计参考。
图1“桥建合一”高架车站立面图 图 2 “桥建合一“高架车站横断面
2．“桥建合一”高架车站受力特征及设计
“桥建合一”的高架车站中的横向桥墩框架要承受由轨道梁传来的列车荷载，同时还要
承受站台和站厅通过房建的纵向梁板体系传过来的人群、设备、房屋建筑等荷载重量。车站结构中的墩、柱、横梁不再是单纯意义上的房建构件。“桥建合一”的车站，它既属房建结
构，同时因列车在其上通过，又具有桥梁结构的特点。由于“建桥合一”是两种不同的受力体系结合在一起，没有现行统一的规范与标准可循。设计时，必须对不同构件，采用不同的规范进行综合分析，轨道梁须满足“铁规”要求，而搁置轨道梁的框架横梁、框架柱、基础必须同时满足“建规”和“铁规”，其余结构需满足“建规”的要求。也就是说这种“桥建合一”的高架车站主要承重构件都必须要满足现行铁路规范和房建规范的要求，一般的房建框架结构的梁柱等构件只要满足“房建”规范即可，这一点两者是不相同的。两种不同规范体系，不仅在计算理论和计算方法上存在着较大的差异，而且在荷载的取值上也存在着较大的差异，前者目前采用的是极限状态法而后者则采用的是容许应力法；在荷载的取值上，“房建”规范在荷载组合中不组合结构的温度、收缩徐变效应，而是采取构造措施来减小这些效应的影响，如：《混凝土结构设计规范》
【1】
规定室内或土中现浇式钢筋混凝土框架结构的
【2】
伸缩缝的最大间距为55m，露天现浇钢筋混凝土框架结构的伸缩缝最大间距为35m；《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》
中对混凝土徐变收缩规定为结构的恒
载，对于整体灌注的钢筋混凝土结构中收缩效应可按整体降温15℃，分段灌注的钢筋混凝土结构可按整体降温10℃考虑。“桥建合一”高架车站结构，当轨道梁、房建专业的纵梁与横向桥墩框架体系采取刚结的形式形成空间框架体系时，因为联长较长且内部超静定次数比较多，由于混凝土的收缩、徐变以及升降温等引起的结构次内力往往就会成为设计中的控制因素。如何在对结构进行优化，以达到经济、合理的设计结构成为设计者最为关心的问题。
3．计算模型的建立
以深圳地铁3号线的高架车站为例，对混凝土收缩、徐变以及温度力对空间刚架体系的“桥建合一“高架车站的影响进行分析。车站结构按如下方式进行模拟：车站墩、柱、桥墩盖梁、轨道梁、房建结构的纵横梁均按空间梁单元模拟，车站的站厅楼板、站台等采用每节点6自由度的弹性薄板单元模拟。
图3 车站空间有限元模型
4．收缩、徐变、温度力的影响及控制措施
空间刚架体系的高架车站中，收缩、徐变、温度力对结构的影响是比较大的，这一点在车站的主要承重构件中尤其明显。收缩、系统的整体降温将使车站两端墩柱底部产生很大的弯矩，虽然徐变效应在一定程度上能对其产生一定的抵消作用，但三者的综合作用仍是控制
墩柱设计的控制因素；而且徐变、及系统整体升温对墩底的效应时同向的，在含有以上两项的组合中，车站端墩的反向弯矩也是比较大的。同时由于车站在受到以上作用力的同时，还可能受到风荷载的作用，车站的桥墩将是一个双向受力的构件，在按现行铁路规范中“容许应力法”对构件进行设计时又必须要考虑到双向受弯构件的“应力重分布效应”。当车站结构设计不合理时，很容易导致靠近站端的墩柱不能满足规范的要求，同时因为墩底外力的增加给车站的基础设计带来较大的困难，因此对于此类车站结构进行设计，必须要注意尽量减小收缩、徐变、温度力对车站结构的影响。笔者以设计深圳地铁高架车站的经历，归纳以下几点：
（1） 设置后浇带
混凝土的徐变、收缩与混凝土的组成材料及其配合比，周围环境的温度、湿度、构件截面形式、混凝土的养护条件、混凝土的龄期等诸多因素都有关系，收缩主要是由水泥浆的凝结而产生，且总是和徐变伴随发生的，混凝土收缩产生收缩力，而徐变的发生则使收缩力在一定程度上抵消，混凝土的收缩、徐变主要发生在混凝土浇注后的前几个月，到后期发展则较为缓慢。“桥建合一”的高架车站一般都是多次超静定结构，跨度小，但联长较长；通过设置后浇带，对车站进行分段浇注，让一部分收缩、徐变发生在结构合拢以前，从而可以减小收缩对结构的影响。前文也提到过，《铁路桥涵设计基本规范》
【3】
中对分段灌注的混凝
土结构的收缩、徐变力按降温等效的计算时在一定程度上也给予了一定的酌减。以下（图4）是我国南方某城市的高架车站按整体浇注与设置后浇带后边墩墩底的内力值，通过对比分析我们可以发现，设置后浇带能有效减小收缩、徐变所产生的结构内力。
图4 整体浇注与设置后浇带端墩墩底横桥向弯矩
（2） 合理选定墩柱尺寸
系统的整体升、降温都将在超静定结构中产生次内力，对于墩柱高度较小、刚度较大的且纵横梁固结的车站结构，温度力通常会成为控制设计的主要因素，墩柱的截面大小对温度力有着非常明显的影响：加大墩柱的截面面积能够提高墩柱本身的承载能力，但同时因为墩柱刚度的增加，从而导致墩柱中温度力的增加。因此设计中一定要注意选择合理的截面大小，
合理的截面不仅能够优化结构受力还能节约材料，以下是某高架车站墩柱在不同的截面形式下，构件的内力、配筋及钢筋应力情况。
表 1 墩柱尺寸对墩底内力的影响
墩柱尺寸（m） 1.5×1.5 1.5×1.4 1.5×1.3 1.5×1.2 顺桥向弯矩（kN·m） 5072.12/26.10/50.20 5043.27/2759.27/5470.62 5018.99/2617.00/4733.00 4999.78/2468.48/4045.66 配筋 6232 5432 5232 5032 钢筋应力（MPa） 227.3 227.6 216.2 201.8 通过上表中的计算结果可以看出：随着墩柱尺寸的加大，墩底的横桥向弯矩显著增加，尽管截面增大，钢筋的用量也增多，但钢筋的应力仍然有增大的趋势。因此合理的选取墩柱尺寸对改善结构受力，有比较显著的影响。
（3） 施工过程
当通过设置后浇带以及调整墩柱截面的截面尺寸等都不能将结构的受力调整到一个比较合理的受力范围时，可以考虑在施工方法上采取一些措施：如在桥墩施工完成以后在墩顶进行顶推。因为按照《铁路规范》结构的收缩、徐变均为恒载，恒载是需要与系统的整体升、降温进行组合。当收缩、徐变与系统降温进行组合是叠加的关系其效应比与系统升温组合要大，通过在边墩墩顶向车站外侧进行顶推，可以给墩柱施加一个和收缩以及降温效应反向的力，可以改善结构尤其是墩柱中的内力，优化结构的设计；但顶推中采用的力的大小一定要合理，力太小达不到预期的效果，太大则对结构构件受力不利。因此在确定顶推方案时对选用一定要通过计算确定，尤其需要计算在含有系统整体升温情况下墩柱受力状况，以下是某高架车站的在在不采用与采用墩顶顶推的施工工艺下墩柱的结构内力、配筋及钢筋应力的情况，仅列出受力最大1、5、6轴桥墩框架的墩底内力。
表 2 顶推措施对墩底内力的影响
墩柱 1 5 6 顶推前顺桥向弯矩 （单位：kN·m） 最大 4543 1719 1285 最小 -2255 -4196 -2466 顶推后顺桥向弯矩 （单位：kN·m） 最大 3855 2235 1677 最小 -2943 -3679 -2075 根据对上表计算结果分析可以看出，在车站桥墩施工完毕后，通过在桥墩墩顶顶推，可以很好的调节墩柱底部弯矩，使墩柱两侧的弯矩更加均衡，有效改善车站桥墩受力。
5. 结束语
随着城市轨道交通的发展，“桥建合一”高架车站这一结构形式必将越来越多被采用。而作为车站结构中不可忽视的收缩、徐变及温度力通常是这种车站结构设计中的控制因素。本文从受力分析方法以及构造措施上做了一些探讨，以供城市轨道交通高架车站结构设计参考。
参考文献:
[1] GB50010—2002,混凝土结构设计规范[S].
[2] TB1000213—2005,铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]. [3] TB1000211—2005,铁路桥涵设计基本规范[S].
