与高架桥合建地铁车站受力及变形分析
轨道交通高架桥的特殊荷载及变形控制
轨道交通高架桥的特殊荷载及变形控制摘要：结合我院设计的上海城市轨道交通明珠线特殊大桥-中山北路桥（30m+55m+30m的三跨连续预应力与钢结合梁桥），介绍和分析了轨道交通高架桥的设计特点及特殊控制点。
关键词：轨道交通; 高架桥; 荷载; 变形控制; 徐变; 基础沉降一、前言近年来，由于城市交通的发展，轨道交通以其运量大、速度快而在国内各个城市得到推广，但地铁系统造价高，建设周期长，从而使得决策者和设计者越来越青睐高架线。
沈阳、武汉、上海、大连、佛山等城市相继着手这方面的准备工作，南京、北京等城市的地铁也规划有一段高架线路，广州和上海规划的轨道交通线路中也有多条高架线。
但轨道交通高架桥的结构设计在很多方面都不同于公路桥和铁路桥，如受载方式、桥梁的变形允许范围等均有它自身的特点。
由于目前国内还没有轨道交通高架桥梁的设计规范，所以具体设计时还存在一些亟待解决的问题。
“上海城市轨道交通明珠线一期工程”为全高架线路，全长约29kM，现土建已基本完工，笔者有幸参加了其中两座大桥--中山北路桥和苏州河桥的设计，在设计过程中遇到了很多新问题，借此总结如下，以便在今后的设计中借鉴。
二、轨道交通高架桥与公路桥和铁路桥的不同公路桥一般为多车道，受力为面载，多设温度连续桥面。
而轨道交通高架桥一般为双线桥，在折返线及渡线段有部分多线桥及单线桥，梁轨共同作用，这一点同铁路桥相同。
但它处于城市地区，高架桥梁长度多达数十公里，因此对景观、环保及变形的要求均比铁路桥严格。
另一方面，由于上海城市轨道交通明珠线高架桥梁上部建筑采用无渣无枕道床，轨道采用无缝线路，所以其受力远较铁路桥复杂，同时由于无渣轨道钢轨扣件的调高量有限又限制了结构的变形，根据铁道部科学研究院提供科研报告，扣件的调高量仅为40mm。
即桥梁的所有变形（包括预应力梁的收缩徐变和基础的不均匀沉降等）均在此范围内。
三、轨道交通高架桥的特殊荷载及其组合轨道交通高架桥的荷载除铁路桥规规定的一般主力和附加力外，还有因桥上铺设无缝线路所引起的纵向力。
关于某地铁车站与市政高架桥同体合建关键技术研究
图1 车站与市政高架平面关系图市政高架桥对车站方案的影响因规划市政桥梁与本站合建，车站需做为高架桥的基础，因此其对本站建筑、结构方案影响较大，主要体现在图2.1-1 图2.1-2图2.1-3 图2.1-4①工况1：墩柱纵向上位于两KZ之间，横向上位于两纵梁之间，平面位置关系如图2.1-1②工况2：墩柱纵向上位于两KZ之间，横向上位于两同的断面尺寸，拟定的尺寸见下表图2.2 KZ1、KZ2平面布置图表1KZ2尺寸与基准柱KZ1的刚度比值800X1200 1.00900X1200 1.131000X1200 1.251000X1300 1.351000X1400 1.461000X1500 1.56图3.1-1 桥梁荷载作用下轴力图图3.1-2 桥梁荷载作用主轴力云图图3.1-3 桥梁荷载作用负一层侧墙主轴力云图图3.1-4 桥梁荷载作用负一层侧墙竖向轴力云图图3.1-5 顶板远期基本组合弯矩云图（Myy)图3.1-6 顶板远期基本组合弯矩云图（Mxx)结合本站实际情况以及三维分析，本站顶板受顶板盖挖的临时工况控制，顶、底板的纵向分布筋应适当加大以抵抗桥梁荷载引起的纵向弯矩图4.1-1 与桥共建顶板平面图图4.1-2 与桥共建底板平面图图4.1-3 与桥共建剖面图从结构受力角度考虑，结构体系应具有明确荷载传递途径，避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失承载力，应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和耗能能力，对于本站与市政桥梁结合，建议如下：）建议高架桥墩柱布置结合地铁中柱布置，减少转换结构的设置，针对本站的具体情况，建议桥墩在纵向上宜与车站中柱位于同一轴线上，横向上尽量设置在两中柱）市政桥梁建议采用钢箱梁以减小传递的荷载）桥梁承台建议与车站固接，相当于连接合建式，并作为转换梁的一部分，以减小车站的顶板厚度）中柱为避免因刚度差异带来的不利影响，建议背桥柱与相临框架柱尽量保证刚度差异不要过大。
桥建合一高架车站抗震分析
桥建合一高架车站抗震分析以某城市高架地铁车站为背景，通过建立有限元计算模型进行地铁高架车站的抗震性能分析和研究。
计算结果为该高架车站的抗震设计提供依据，分析方法可为同类结构提供参考。
标签：地铁车站；多遇地震；罕遇地震；非线性时程分析；反应谱分析0 引言高架车站一般采用“桥建合一”、“桥建分离”的结构型式，车站主体常用混凝土框架结构。
车站主体与区间桥梁分缝而设，分缝两侧柱下共用基础。
关于高架车站抗震的分析已有一些学者做過相关研究[7-8]，并给出了指导意见，其参考的规范多为文献[5]与文献[9]。
本文重点参考文献[1]与文献[2]，更加侧重其作为桥梁体系的受力分析，为同类结构的设计提供参考。
1 工程概况本工程采用横向双柱单跨双悬臂、纵向连续多跨的空间混凝土框架结构体系，横向单跨双悬臂框架梁利用预应力技术控制其竖向变形，由地上三层、局部一层地下室组成，车站屋架采用钢结构体系。
本高架站站台为鱼腹式，曲线半径1 500 m，有效站台长度为120 m，站台中心宽度为10.5 m，车站总高度约为22 m。
车站结构布置如图1 所示。
根据文献[2]第8.3.1 条，对于“桥建合一”结构形式的高架站，地面层墩柱抗震验算的荷载效应组合可按现行的文献[5]执行，并按其进行抗震性能Ⅰ下的构件强度验算。
抗震性能Ⅱ、Ⅲ下的墩柱抗剪强度和塑性铰区变形按文献[2]第7 章的相关内容验算。
本高架车站工程抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度为0.2 g，设计地震分组为第二组。
2 高架车站Midas 分析模型本高架车站采用Midas/Civil 建立全桥有限元模型进行抗震分析，建立有限元模型时除盖梁采用C50 混凝土外，其余构件均采用C40 混凝土。
其中桩基、承台、墩柱、盖梁、轨道梁采用空间梁单元模拟，站厅层与站台层采用板单元模拟[6]。
利用节点弹性支承模拟桩土相互作用，约束刚度采用“m”法计算。
Midas 模型如图2所示。
3 多遇地震作用下墩柱强度验算根据文献[2]第 3.3.1 条规定，墩柱的性能等级要求为Ⅰ时，地震作用的计算方法应采用线性反应谱方法。
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城市轨道交通高架车站结构动力分析提要针对高架车站结构特点,对其在列车动载作用下的动力响应进行分析 ,探索了一种高架车站动力分析的理论形式。
关键词城市轨道交通 , 高架车站, 动力分析高架车站是城市轨道交通(地铁、轻轨) 结构与高架桥的有效融合,满足了高架车站建设中出现的新型结构体系。
高架车站既的功能(行车和车站的综合功能) 。
目前上不是单一的房屋结构,也不是单一的桥梁结海和南京有许多空间框架式高架车站正处构,而是一种桥梁和房建相结合的结构体于规划或建设之中。
系。
文献 [ 1 ] 列举了三种结构形式的高架车站,其中空间框架式车站结构性能较为独特,拟为本文的研究对象。
1 高架车站结构特点高架车站先形成空间框架结构(2～ 4 层),再在其上布置行车板梁(上设轨枕、钢轨等),供地铁或轻轨列车行驶。
连续板梁通过支座单支撑于框架中立柱上,双支撑于图1 空间框架式车站结构框架横梁上。
列车荷载通过板梁和支座传空间框架式车站结构实质上把桥墩作递至站房结构的中立柱和框架横梁上。
室为房屋框架结构的一部分(中立柱),框架纵内车站设置网架或网壳屋盖,露天车站仅设横梁均能对桥墩起到约束作用,结构整体性置防护栏和雨棚(图1 中没有画出) 。
框架和稳定性好。
高架车站不同于普通的车站建筑,它必须承受轨道列车直接的动力作用,活载占的比重大且受载点不断变化。
列车动力荷载通过板梁和支座传递至站房结构的中立柱和框架横梁上,作用于整个框架体系,这是高架车站与一般房屋建筑的本质区别。
图2 高架车站细部图(桥梁与框架的连接)2 动力分析方法探索针对桥建合一高架车站的结构特点,论文提出一种分析思路,该思路综合了桥梁和房建两种结构的分析理论和方法。
通过建立两个动力模型求解高架车站在列车动载作用下的动力响应和受力变形规律。
(2) 在求得作用在框架结构上的时程荷载之后,以支座动反力为外荷载,通过有限元离散化,建立框架结构三维动力分析模型。
采用国际通用的SAP93 结构静动力分析程序,求解高架车站在列车荷载作用下的动力响应。
高架桥施工对既有轨道交通结构影响分析
海珠湾隧道线路全长4.33 km,北接既有东晓南高架, 向南以双管单层盾构隧道形式下穿珠江沥蟯水道、洛溪岛 和三枝香水道，继续以暗埋隧道形式穿过南浦大道后接出 地面，接入南段工程。主线采用设计速度60 kmh、双向六 车道的城市主干道建设标准。
项目建设内容包括过江隧道1座、互通立交3处（从北 至南依次为南洲路立交、环城高速立交和南浦岛立交，分别 与南洲路、环城高速和南浦岛实现交通转换）。其中，与地 铁相关段主要包括南洲路立交、环城高速立交以及雨污水 管开挖回填等内容。
10 m m 02
m
计算结果显示，在高架施工过程中,既有地铁结构的变
形值较小,变形值均小于3 mm,满足变形控制要求。
施工过程中,既有车站结构（明挖部分）产生的最大裂
缝值为0.09 mm<0.2 mm；既有车站结构（暗挖部分）产生
的最大裂缝值为0.06 mm<0.2mm;既有区间结构（盾构部
分）产生的最大裂缝值为2. 16 mm<2.0 mm；既有区间结构
[]
[] 徐亚光，曹 文，康圣雨.新建公路桥梁对既有铁路
桥隧的影响分析铁道建筑,2019,59(3) ：72-65. []
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市政轨道交通“桥建合一”高架车站设计荷载研究
市政轨道交通“桥建合一”高架车站设计荷载研究摘要：对“桥建合一”高架车站结构体系进行分析，指出各构件需遵照的设计规范和设计标准，通过对这些规范、标准的研究，指出“桥建合一”高架车站的荷载取值和荷载组合。
关键词：桥建合一荷载分类荷载组合1 前言市政轨道交通以运能大、速度快、安全准点、节约资源、保护环境等优点，日益成为解决城市“出行难”这一问题的重要交通方式。
随着轨道交通向郊区延伸，天津市轨道交通建设出现了线路高架化趋势。
“桥建合一”式高架车站是今年出现的新型结构体系，相比于“桥建分离”结构，其桥梁结构与车站结构现浇为一整体，兼具桥梁和民用建筑两种受力方式。
目前对于这种体系尚无合适、可直接遵照执行的具体设计规范或标准。
本文结合实际工程，对该类型车站的设计荷载进行研究，为类似工程提高经验。
2 工程简介本工程为三层路中侧式高架车站，车站主体长145米，宽26.4米。
首层架空，墩柱位于路中绿化带内，一层为站厅层，二层为轨道，三层为站台层，首层层高7.75m，站厅至站台层高8.1m。
车站北侧为两个出入口，南侧为附属用房，通过四个天桥与两侧地块连通。
图1 车站横剖面图3 荷载分类和荷载组合相比传统的民用框架结构，路中高架站纵横框架体系受力复杂，兼具桥梁和民用建筑两种受力方式。
目前对于这种体系尚无合适的，可直接遵照执行的具体设计规范或标注。
只能参照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《铁路工程抗震设计规范》GB50111-2006（2009 年版）和《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）、《地铁设计规范》（GB50157-2013）等。
设计的主要原则为：轨道梁、支承轨道梁的横梁、支承横梁的柱等构件，除应按建筑结构设计规范计算外，还应按铁路桥涵设计规范进行截面验算；其余部分的梁、板按建筑结构设计规范进行设计。
“建规”采用的是概率极限状态法，“桥规”采用的是容许应力法，两者对荷载的分类及其组合有很大差异。
论高架桥与地铁车站相结合的建筑设计
论高架桥与地铁车站相结合的建筑设计摘要：本文笔者根据城市轨道交通中地铁车站的设计原则，对地铁车站与高架桥结合及车站出入口和风亭的设计进行阐述。
关键词：高架桥；地铁车站；建筑设计；进入新世纪以来,随着经济的发展,许多大城市加快了地铁建设的步伐. 地铁车站的建筑设计问题越来越引起建筑师的重视。
从世界上第一条地铁线路的诞生到现在已经有一个多世纪的历史。
在我国地铁的发展是城市现代化的重要标致，自中国第一条地铁，1969年10月北京地铁第一期工程投入运营到2011年11月，全国在运营或者在建地铁的城市为11个，还有33个城市在筹备新建、增建地铁，得到批复的共27个，可以说全国各大城市的地铁建设是比较旺盛的。
本文以某市地铁站为例，介绍了高架桥与地铁车站结合的地铁车站的建筑设计，并提出了地铁车站设计的几点建议，希望对以后类似车站的设计有所启发。
一、地铁车站设计原则地铁主要是由线路、列车、车站等组成的交通体系。
此外还有供电、通信、信号、通风、照明、排水等系统。
地铁线路由路基与轨道构成。
轨道与铁路轨道基本相同。
它一般采用较重型的钢轨，多为混凝土道床或碎石道床。
轨距一般为1435mm标准轨距。
线路按所处位置分为地下、地面和高架线路3种。
地下线路为基本类型；地面线路一般建在居民较少的城郊；高架线路铺设在钢或钢筋混凝土高架桥上，避免与地面交通平交，并减少用地。
地铁列车均采用由电力动车组成的动车组。
地铁车站作为地铁线路中的一个点。
起到一种的相互转换及快捷运送客流的作用，是列车到发和乘客集散的场所。
地铁车站一般在市区内会以1km 左右设置一个车站，同时会结合地面客流、周边规划条件设置。
地铁车站一般建在客流量较大的集散地。
二、高架桥地铁车站概况某站位于高架桥交叉路口的南侧，是城市主干道，规划道路红线宽60m。
路上规划高架桥，规划立交匝道施工图已经报审，目前在结合该站对其桥桩基进行重新设计，与地铁车站同步实施。
交叉路口处，远期规划立交地下1层下穿隧道。
(整理)地铁车站与高架桥整体分析
摘要以武汉市一座地铁车站及高架桥共建体为研究对象，借助于SAP2000 软件建立该车站与高架桥的分析模型，对该结构进行整体有限元计算，将所得计算结果作为评定该工程共建方案可行性的主要依据。
关键词地铁车站高架桥模态参数非线形时程分析1 引言通过有限元计算软件进行复杂结构的模拟计算，是近几十年来建筑结构设计的一个主要发展趋势，成为解决现代复杂结构设计的重要手段。
随着全国各大城市对地铁建设的加速发展，地铁建筑与城市市政及周边建筑等一些相关设施之间也将遇到越来越多的复杂问题，比如与其相邻的高层建筑、公共建筑、市政地下管网等的保护工作。
对于上述所遇到的复杂情况，用一般常规计算方法已经不能满足实际工程设计的需要了。
武汉市某一地铁车站由于场地有限，必须与其上的二环线高架桥共建成为一体。
为了科学合理地对车站结构与高架桥的共建方案进行有效的分析研究，本文主要采用了SAP2000 有限元软件进行本工程结构的分析计算，通过计算结果得出相应的结论，为今后类似工程的设计提供一定的参考。
2 工程概况该地下建筑位于武汉市中心，地铁10 号线与6号线交汇处，两线站台呈T 形布局，10 号线与 6 号线互为岛岛换乘，车站总建筑面积为26 598 m2。
本站10 号线为21 m 宽岛式站台，地下两层结构，基坑深度约17．84 m，基底土层主要为粉砂夹粉土、粉质黏土，局部为粉细砂层; 6 号线为14 m 宽岛式站台，地下三层结构，基坑深度约25．7 m，基底主要土层为粉细砂层。
该车站场地属长江Ⅰ级阶地，地下水位较高，基坑周边不宜采用放坡开挖及土钉墙支护，应选用有隔水效果的墙体系围护结构，结合周边环境和当地经验，经比选: 10 号线选用800 mm 厚地下连续墙作围护结构，地下连续墙不入岩; 6 号线选用1 000 mm 厚地下连续墙作围护结构，地下连续墙入岩。
地铁车站与二环线高架桥平面布置如图1所示。
本地铁车站结构的主要特点: 10 号线地下二层站方向有5 个高架桥桥墩落入地铁车站主体结构内，形成共同受力体系。
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与高架桥合建地铁车站受力及变形分析
摘要：以合肥市与高架桥合建地铁车站为研究对象，采用MIDAS/GTS软件建立该车站三维计算模型，对该结构进行整体有限元计算，并根据计算结果进行受力分析，采用安全、经济的结构，达到使用功能、结构安全、经济效益的三者统一。
为今后类似工程的设计提供借鉴，并开拓空间立体开发思路。
关键词：地铁车站高架桥桩基沉降
Abstract: In order to study the subway station, which build with viaduct at the same time, establish the three-dimensional model of the station by MIDAS / GTS，according to the finite element calculation, the safety, economic structure was adopted。
To achieve use function, structure safety and economic benefits，provide reference for the design of similar engineering in the future, and Open up space stereo development train of thought.
Keywords: Subway station; Viaduct ; Pile foundation; Settlement
0 引言
随着我国经济水平的高速发展，城镇化发展战略的实施，城市人口快速增长，致使城市交通状况日益恶化，成为城市发展经济的瓶颈之一[1]，因此我国加快了城市交通设施的建设，其中以轨道交通、高架桥最为普遍。
而在一些繁华老城区，往往受规划道路宽度限制，需要地下轨道交通和高架桥共用一个走廊，上下共线顺行[2～3]。
本文采用MIDAS/GTS[4]软件建立该车站三维计算模型，通过计算结果设计安全、经济的结构，从而达到使用功能、结构安全、经济效益的三者统一。
为今后类似工程的设计提供借鉴。
1 工程概况
该地铁车站位于合肥市马鞍山路与芜湖路十字交叉口南侧，沿马鞍山路路中布置。
由于两工程共用一个走廊，都位于现状马鞍山路，互相产生干扰，故采用车站与高架桥同步开工建设的方案，将位于高架桥投影面的车站与高架桥同位合建[5]。
地铁车站为双层三跨矩形框架结构，采用明挖顺筑法施工。
标准段基坑深度约19.15m，盾构段基坑深度约19.70m，底板加深处基坑深度约20.25m，基底主要地层为中风化砂质泥岩层，采用钻孔灌注桩+钢支撑围护结构体系，桩间
采用止水帷幕。
地铁车站与高架桥平面及横剖面布置图如图1～2所示。
图1地铁车站与高架桥平面布置图
图2地铁车站与高架桥横剖面布置图
本地铁车站结构的主要特点:沿车站方向有6个高架桥墩承台坐落于车站结构顶板，通过车站整体受力将上部桥梁荷载传至立柱下桩基及车站底板。
上部高架桥为多跨连续钢箱梁结构，最大跨度26m，承台尺寸为9.3×5.5×1.25m。
2 车站结构计算模型及参数
2．1 计算模型
以MIDAS/GTS程序为分析工具，考虑结构上作用有桥墩基础荷载，按照荷载—结构—弹性抗力整体模型进行内力计算，对结构的边界条件及受力特点作了相应的简化处理。
由于高架桥在车站建成后施工，本文仅针对车站建成后使用阶段的受力情况进行分析，整体结构计算模型图如图3～4所示。
图3地铁车站整体结构计算模型
图4地铁车站梁柱桩结构计算模型
2．2 计算参数
车站范围各土层及参数见表1，车站结构材料的物理力学参数见表2。
表1 土层参数取值
表2车站结构物理力学参数
该地下结构所承受的荷载包括永久荷载、可变荷载、偶然荷载[6]。
永久荷载主要包括土压力、水压力、设备荷载、车站与桥梁结构自重以及施工机具荷载等，可变荷载主要包括地面与桥梁车辆荷载及其动力作用、地下铁道车辆荷载及其动力作用、人群荷载、混凝土收缩及温度作用力、设备吊装荷载等，偶然荷载主要包括地震力[7]、人防荷载等。
上部高架桥荷载取值见表3。
表3上部高架桥荷载取值
2.3边界条件
侧向地层抗力和地基反力，根据温克尔弹性地基梁理论，分别采用水平弹簧、竖向弹簧来模拟土体对墙体(底板)水平位移和垂直位移的约束作用,弹簧只能受压，且注意弹簧的计算反力不应大于地基的承载力。
由于车站底板下桩基持力层为中风化岩层,桩端沉降量在车站主体结构施工时已可忽略不计,简化采用桩端固接。
3 车站结构计算结果及附图
3.1 结构内力计算结果
1）顶板内力
（1）x方向轴力(Fx)（2）y方向轴力(Fy)
（3）x方向剪力(Vx) （4）y方向剪力(Vy)
（5）x方向弯矩(Mx) （6）y方向弯矩(My)
图5顶板内力图(对应GX7号墩基础部分)
2）车站结构柱最大轴力为24444KN。
3）车站底板处桩基最大轴力为12492KN。
3.2 结构变形计算结果
1）顶板位移
图6 顶板竖向位移云图
2）底板位移
图7 底板竖向位移云图
3）桩顶位移
图8 Φ1200桩竖向位移云图
图9 Φ1800桩竖向位移云图
4 结论及建议
通过对本工程结构进行有限元建模计算,着重分析了车站主体结构内力及位移的计算结果,并对主要工况的结果数据进行了对比分析,得到了以下几点结论。
（1）车站结构作为高架桥基础整体受力考虑，结构局部荷载激增且受力复杂。
采取措施为调整车站各构件尺寸，从而增加车站整体刚度。
车站主要构件尺
寸如下：顶板中跨1300mm，边跨800mm～1300mm；底板厚1300mm，桥梁承台作用段中跨厚2300mm；框架柱（非承台处）Φ1100mm、钢管柱（承台处）：Φ1100mm顶底板厚度为1.3m,侧墙厚度800mm。
（2）由于需满足桥梁运营期间苛刻的沉降要求，要求车站结构变形极小。
采取措施为通过在桥梁承台下方底板布设桩基，进一步限制车站变形。
底板下基桩直径分为1.8m与1.2m两种，长度均为12m。
（3）地铁明挖车站与高架桥同位合建，这样既能减少拆迁量、避免市政管线二次迁改，也能缩短建设总工期、节约投资，在城市交通日益堵塞的今天，站桥合建为地下、地上空间结合开发提出了一个很好的解决途径，也为今后类似工程的设计提供借鉴。
参考文献
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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。