地铁高架区段范文

地铁高架区段范文（精选5篇）

地铁高架区段 第1篇

深圳市地铁3号线首期工程起于罗湖片区的红岭站, 止于龙岗片区的双龙站。3号线首期工程位于深圳东部发展轴上, 是深圳市轨道交通网络中骨干线。3号线首期工程线路长约32.8 km, 设车站26座;其中与深惠路并行段长约26.3 km, 设高架岛式车站19座、地下车站1座。

二、线路布设位置

深惠路标准段道路宽度70 m, 路中设置10 m宽绿化带。3号线主要布设在路中, 对道路两侧的乘客都有较好的照顾;也利于噪音和振动的衰减。如果布设在路侧, 则噪音和振动对所在一侧的居民影响较大。

线路布设位置也不是机械地全部设置在路中, 根据深惠路现状及规划情况合理选择。草埔站至布吉客运站区间有约1.5 km长区间与广深铁路并行, 该段深惠路道路东侧为陡坎, 陡坎之上还有居民楼, 道路宽度不足60m。因此与铁路部门协调后, 将3号线设于道路靠广深铁路一侧。

布吉火车站段深惠路路中有既有高架桥, 且无拆除计划;布吉火车站有改造规划。经协调后将3号线布吉客运站设于道路西侧的火车站广场内, 避免了拆除公路高架桥, 同时又与火车站、公交场站有机结合。

三、地铁、城市道路线型拟合问题以及各相交道路的净空控制

1. 线型拟合

地铁线路一般均为标准平曲线;道路线形比较多样化, 除了标准平曲线外还有“S”形、“C”形、卵形等多种形式。设计过程中要注意地铁线路中心线与道路中心线的拟和。我们在设计中对特殊地段采取了“同弯不同半径”、“同道不同宽度”的设计方法。3号线采用几段标准平曲线拼接 (R1 600 m平曲线+R1 800 m平曲线+R1 200 m平曲线+R1 800 m平曲线) 。“同道不同宽度”深惠路中央分隔带宽度有15 m、13 m、10 m、4 m等几种宽度。

2. 各相交道路的净空控制

高架线下的桥下净空应满足下列要求:跨越主干路不小于5.5 m, 跨越次干路不小于5.0 m, 跨越其它道路不小于4.5 m, 跨越铁路不小于6.75 m。

四、站台形式的选择

对车站形式进行了岛式站台和侧式站台的综合分析比较, 研究认为: (1) 岛式站台可以更好的适应本线客流潮汐分布特征; (2) 岛式站台不需要在两侧站台之间建立连接通道, 方便乘客自由选择; (3) 岛式站台车站断面宽度比侧式站台小5~6 m, 工程规模缩小; (4) 岛式站台可优化楼扶梯及电梯布局, 减少设备数量, 节省工程投资和运营成本; (5) 深惠路同期正在进行道路改造设计, 路中绿化带宽度满足岛式站台车站设置要求。因此3号线高架段采用岛式站台车站, 但在设计中需处理好车站外线间距过渡的问题

五、岛式车站与区间线间距的过渡

深圳地铁3号线高架站设计为岛式车站, 、区间在桥中设置了疏散平台, 曲线地段限界加宽的问题通过调整疏散平台宽度来解决, 为减小工程量, 出车站后需尽快将线间距缩小为4.4 m。

车站外道路如果有较长直线段, 属于标准的收喇叭口的做法, 现在常用的线路设计软件都有这个功能。车站外道路如果直线段较短, 就直接利用道路转弯曲线将线间距缩小, 不需另外增加曲线。

车站外道路如果直线段适中, 可参考如图2所示做法。图中交点A和C为左线交点, 交点B为右线交点。圆A和圆B为同心圆, 圆A半径比圆B半径大4.4 m。

高架岛式车站的缩短渡线相对于地下线来说, 可以采取另外的做法。地下线的缩短渡线是两个交点, 而高架线的缩短渡线则只用一个交点, 以尽快将正线线间距缩小, 如图35所示。图中交点A为左线的交点, 交点B为缩短渡线的交点, 交点C为右线的交点。这种做法缩短渡线长约80 m, 同时正线线间距也可尽快缩小。

六、相交高压输电线的处理

根据输电线路等级、净空情况、沿线现状及规划条件等, 采取不同的处理办法。调整输电线路高度方案、与高压输电线的竖向距离关系等需要专门研究, 并得到供电部门的批准或认可。

深圳3号线沿线高压输电线横跨地铁的地方有5处:太白路口、丹竹头、盐排立交、横岗、荷坳。太白路口地铁处于地下到高架的过渡段, 现有输电线下有效净空能保证地铁的通过。丹竹头处110 KV输电线、横岗处的110 KV输电线和荷坳立交处220KV输电线均采取升塔改造方案, 改造方案由专业供电设计单位设计, 并上报电力主管单位得到批准。

盐排立交处的高压输电线电压等级为500 KV, 高架方案无法满足净空要求。由于该输电线电压等级及其重要性, 电力主管单位不同意进行输电线路改造。考虑到此段线路位于布吉与横岗两组团间, 为深圳市的水源保护区, 深惠路两侧限制土地开发, 且深惠路地面层无横向交通要求, 因此采用地面线敷设方式避让高压输电线。

七、桥高与景观的问题

根据深惠路道路等级, 地铁3号线高架区间一般地段桥下净空只需要5.5 m, 轨道结构和桥梁高度共2.4 m, 因此一般地段轨面距地面大于7.9 m即可。

考虑到如果区间桥梁高度太小, 会给人带来一种压抑感, 景观较差。研究后认为:桥高、桥宽、桥垮的比例为1:1:3比较合适。3号线高架桥一般段桥宽10 m、跨度为30 m, 因此3号线高架段轨面距地面最小距离一般按照10 m控制。

提高桥梁高度优化了景观, 但相应桥墩高度增加、投资增加。这是一个值得进一步探讨的问题。

八、结语

郑州地铁3号线高架段线路设计过程中, 重点解决线路布设位置、车站站位与路口的关系, 对地铁和道路线形拟合、高架岛式车站外线间距过渡精心设计, 重视高架线路与相交高压输电线的关系并采取合理措施, 适当增加区间桥高以取得好的景观效果, 最终取得较好的设计效果。

轨道交通越来越高的建设成本和运营成本正在给更多的城市带来财政压力, 高架敷设方式可大大降低工程投资和运营支出。高架岛式站台车站相对于侧式站台车站, 在站台利用、车站布置、减少扶梯电梯数量等方面具有明显的优势, 但要精心设计车站两端外线间距的过渡。

摘要：通过深圳地铁3号线首期工程高架段线路设计, 介绍高架段线路布设位置, 研究地铁与道路线形拟合、车站位置与路口的关系, 提出高架岛式车站外改变线间距的一些新作法, 重视高压输电线对地铁高架的影响, 探索桥高与景观的关系。

关键词：地铁,线路,高架

参考文献

[1]GB50157-2003, 地下铁道设计规范[S].

[2]铁道第二勘察设计院.深圳市地铁3号线工程总体设计[G].成都铁道第二勘察设计院2005年.

地铁高架桥门架墩结构静力分析 第2篇

关键词：门架墩,预应力钢束,结构分析,应力

随着城市轨道交通的迅猛发展, 道路交叉是不可避免的, 当两条道路交叉的角度很小时, 一般有两种解决方案:一是修建大跨度桥梁跨越道路, 上部结构一般选用连续刚构桥、连续梁桥或者是结构较轻型的钢结构, 但大跨桥工程造价高, 后期维护工作量较大;二是采用门架墩跨越, 上部结构可以采用标准跨径的预制箱梁, 这样能缩短施工工期又能节省工程造价。

1 概述

本门架墩为地铁高架桥跨线而设置, 单线桥面跨度为5.2m, 荷载采用地铁荷载, 为六节车厢编组。门架横梁上架设30m跨径的预应力混凝土箱梁, 盖梁采用矩形截面, 盖梁高度为2.0m, 宽度为2.4m, 计算跨径为13.0m, 门架的墩柱采用1.81.8m的正方形截面。

门架墩盖梁采用C50等级混凝土, 墩柱采用C40等级混凝土, 容重为26kN/m3。

预应力钢筋采用符合国家标准的高强度低松弛钢绞线, 标准抗拉强度为1860MPa, 张力控制应力为1395MPa。钢束摩阻系数采用0.25, 偏差系数采用0.003, 锚具变形一侧6mm, 张拉系数采用1.0, 松弛系数采用0.3。

门架墩整体结构采用平面杆系单元进行静力分析, 计算软件采用midas civil。

2 结构计算信息

2.1 有限元结构模型

门架墩盖梁的结构类型为预应力混凝土结构, 墩柱、承台、桩基采用普通钢筋混凝土结构。盖梁和墩柱均采用梁单元模拟, 共有105个节点, 92个单元。钢绞线公称直径15.2mm, 规格为12-7φ5。

2.2 主要施工阶段

本门架墩的主要施工阶段如下:

(1) 现浇墩柱和盖梁, 待混凝土强度达到设计强度标准值时, 张拉第一批预应力钢束。

(2) 架设门架墩左右跨预应力混凝土箱梁, 或者直接支模板现浇预应力混凝土箱梁。

(3) 完成箱梁的吊装或现浇后, 张拉第二批预应力束并灌浆。

(4) 进行桥面栏杆、电气化立柱、铺轨等附属构造的施工。

由以上主要施工工序, 用midas civil软件计算时划分8个施工阶段。如表1。

2.3 使用阶段相关信息

根据工程实际, 门架墩的静力分析考虑的荷载有:恒载、活载、温度荷载、收缩、徐变、不均匀沉降、断轨力, 挠曲力等。为了模拟运营阶段车辆荷载、二期恒载等作用效应, 采用集中力荷载, 来模拟箱梁的支点反力对门架墩的影响。基础变位只考虑铅垂位移, 沉降1cm, 温度荷载考虑上部结构整体升温20℃;整体降温20℃;其它支座反力均从箱梁结构模型中提取最不利荷载。主要荷载组合信息见表2。

3 门架墩静力分析结果

3.1 施工阶段盖梁分析结果

(最大拉应力为0.12MPa;最大压应力为-4.77MPa)

(无拉应力;最大压应力为-5.30MPa)

(无拉应力;最大压应力为-5.52MPa)

(无拉应力;最大压应力为-5.64MPa)

(无拉应力;最大压应力为-8.05MPa)

(无拉应力;最大压应力为-5.58MPa)

3.2 施工阶段墩柱分析结果 (见表3)

备注:表中“-”表示压应力。

由以上分析结果可知:盖梁只在第1施工阶段上缘出现0.12MPa的拉应力, 其它施工阶段均为压应力;墩柱顶为整个墩柱受力最不利位置, 由于预应力、混凝土收缩的作用, 第1和4施工阶段墩柱外侧拉应力分别为0.91MPa、0.47MPa。

3.3 使用阶段计算结果

(无拉应力;最大压应力为-6.25MPa)

(无拉应力;最大压应力为-5.02MPa)

(无拉应力;最大压应力为-8.67MPa)

(无拉应力;最大压应力为-5.62MPa)

(无拉应力;最大压应力为-7.38MPa)

(最大拉应力为0.94MPa;最大压应力为-5.41MPa)

(无拉应力;最大压应力为-7.07MPa)

(最大拉应力为0.58MPa;最大压应力为-5.78MPa)

由分析结果可知:第6种荷载组合为最不利情况, 出现了0.94MPa拉应力, 满足规范要求。此门架墩设计时, 预应力经过了多次调整, 由于受施工阶段的影响, 整个门架墩受力情况比较复杂, 若按全预应力设计钢束, 预应力钢束的用量太大, 因此按部分预应力设计, 局部位适当加大普通钢筋的用量。

4 总结

(1) 根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》规定, 施工阶段、运营阶段各截面应力均满足规范要求。

(2) 通过对某地铁高架桥预应力混凝土门架墩计算和分析对比, 总结出以下几点体会:

(1) 模拟结构时, 应该把盖梁和墩柱一起模拟出来, 最好把桩基也简化模拟, 考虑它们的共同作用;若墩柱与盖梁固结情况下:当盖梁跨径较小时, 墩、盖梁和基础共同的作用不是很明显, 当盖梁跨径较大时, 能比较真实的模拟受力分析, 得到较准确的结果。

(2) 施工阶段分析决对不能忽视, 施工阶段的荷载工况可能起到控制整个设计的作用。

(3) 门架墩盖梁受力直接由支座传递而来, 相对于盖梁跨径而言, 受集中力的范围很小, 因此布置预应力钢束时应注意其线形, 在满足设计要求的情况下, 靠近墩柱处, 预应力钢束尽量水平布置, 这样在施工过程中张拉预应力时, 可以减小墩柱外侧的拉应力。

参考文献

[1]TB10002.3-2005, 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范

[2]季国富, 张焱, 沈永林.预应力混凝土盖梁设计与计算.会议论文, 2004.

地铁高架区段 第3篇

关键词：高架站,整体计算模型,荷载,极限状态设计法,荷载组合,基础弹性支撑

1 高架站概况

地铁高架站通常设在空间有限的城市区域, 因其站体被架起, 很大程度上减少了地面占地面积, 有着很高的空间利用率。在结构上, 一般通过设双排墩柱甚至单排墩柱将站厅层、站台层站架起, 由此形成了墩柱、盖梁等桥类构件和站厅层、站台层的建筑结构类梁板结构整浇为一体的空间结构, 在结构形式上, 它既有别于传统意义的桥梁结构, 更不同于建筑结构类的框架、排架等结构形式, 在整体模型分析、计算方面目前尚无成熟的理论和设计方法, 地铁设计规范虽然在此方面做了一些规定, 但在深度及广度上尚欠, 需要做更加深入的研究及探讨。

由于整体分析、计算包含桥梁、建筑结构两个专业的计算理论和规范依据, 有必要对两专业计算理论、分析方法和边界条件等多方面内容做全面、深入的了解, 在此基础上, 以高架站结构特性为本, 对所涉及的两专业内容做有机的融合和选择后探索出合理的高架站整体计算分析理论, 同时也为此类非常规结构的分析、计算总整理出可行的方法和思路。

本文对高架站的整体分析以某工程为例, 进行论述。某高架站为现浇钢筋砼结构, 结构主体高度为18m, 分为两层, 一层为站厅层, 高度12m, 二层为站台层, 高度6m (未含站台板夹层) , 抗震设防烈度6度, 抗震设防分类为乙类, 抗震等级为二级, 本站仅设置单排墩柱, 柱间距为15m, 盖梁为预应力钢筋砼矩形梁, 悬挑长度达到10.5m, 砼强度等级:墩柱、盖梁C50, 纵梁、板为C40。

2 高架站计算理论和设计方法的确定

2.1 桥梁和建筑结构设计方法的比较

2.1.1 容许应力设计法

为目前我国桥梁设计采用的方法, 理论上是以结构构件的计算应力σ不大于有关规范所给定的材料容许应力[σ]的原则来进行设计的方法。一般的设计表达式为:σ[σ]

结构构件的计算应力σ按荷载标准值以线性弹性理论计算;容许应力[σ]由规定的材料弹性极限 (或极限强度、流限) 除以大于1的单一安全系数而得。

容许应力设计法以线性弹性理论为基础, 以构件危险截面的某一点或某一局部的计算应力小于或等于材料的容许应力为准则。是工程结构中的一种传统设计方法, 由于单一安全系数是一个笼统的经验系数, 因之给定的容许应力不能保证各种结构具有比较一致的安全水平, 也未考虑荷载增大的不同比率或具有异号荷载效应情况对结构安全的影响。

2.1.2 极限状态设计法

极限状态设计法是针对破坏强度设计法的缺点而改进的工程结构设计法。是按某特定状态为极限此状态进行设计、即当以整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求, 则此称为该功能的极限状态。它是针对破坏强度设计法的缺点而改进的工程结构设计法。

概率极限状态设计法将工程结构的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两大类。按照各种结构的特点和使用要求, 给出极限状态方程和具体的限值, 作为结构设计的依据。用结构的失效概率或可靠指标度量结构可靠度, 在结构极限状态方程和结构可靠度之间以概率理论建立关系。这种设计方法即为概率极限状态设计法。其设计式是用荷载或荷载效应、材料性能和几何参数的标准值附以各种分项系数, 再加上结构重要性系数来表达。

对承载能力极限状态采用荷载效应的基本组合和偶然组合进行设计, 对正常使用极限状态按荷载的短期效应组合和长期效应组合进行设计, 按下式进行设计计算:

γ结构重要性系数;S荷载效应组合的设计值;R结构构件抗力设计值

2.2 高架站计算方法和设计方法的确定

通过以上论述可知, 极限状态设计法较传统的容许应力设计法有着较为明显的优势, 对不规则的高架站结构采用极限状态设计法更为适宜和科学。

2.2.1 桥梁结构和建筑结构模型区别

1) 单榀计算模型的比较:

通常的桥梁结构墩柱和盖梁整浇形成桥结构的支撑结构, 轨道梁和其他纵向梁通过支座简支于盖梁上, 从整体结构上分析整个桥梁结构通过墩柱基础勘固于地基, 形成类似悬臂的结构体系, 而轨道梁等纵向结构构件仅能对墩柱和盖梁形成的支撑结构在纵向起到简支连接的类似刚性系杆的作用, 并不传递弯矩, 且起不到刚性平面支撑的作用, 桥梁体系的稳定都依赖于墩柱与基础的连接和基础周边土体对基础的约束作用, 这种边界条件下的支座形式, 尚不同于勘固形式, 基础周边的土体约束成为至关重要的边界条件。

建筑结构的计算模型是建立与如下条件下的:竖向受力构件与地基基础实现勘固式连接, 单独的竖向受力构件不考虑由于不均匀沉降导致的竖向位移差值导致的结构性状。

2) 整体计算模型的区别:

通常的桥梁结构由墩柱和盖梁形成一个面内刚架, 而多个刚架之间由轨道梁等纵向结构构件通过和刚架简支连接的方式连为一体, 纵向的轨道梁、纵梁仅起到类似刚性系杆的作用, 只向刚架传递剪力、并不传递弯矩, 而且起不到刚性平面支撑的作用, 桥梁体系的稳定基本依赖于墩柱基础周边土体对其的约束作用。

而高架站墩柱、盖梁和楼盖结构整浇一体, 成为具有空间刚度的结构, 当结构受外力作用时, 所有内部构件均会共同参与工作、抵抗外力作用, 在此过充中, 楼盖作为拥有近似无限大面内刚度的结构体, 将起到重要的作用。在某些外部作用工况下, 结构会发生水平向变形, 有时会产生转动、即扭转变形, 此时各构件的受力状态将非常复杂, 得借助有限元计算程序模拟分析计算。因此运用有限元软件对高架站进行整体建模计算是十分必要的。

现将在空间有限元程序Midas-gen中所建的高架站整体模型轴测图列于下:

图中墩柱底部深色部分为模拟桩基础部分, 桩周土对基础的约束作用在计算模型中以X、Y向线弹簧的约束方式模拟。图中雨棚为钢结构, 其柱底以刚接方式与主体连接。

3 荷载的确定和组合方法

3.1 荷载类别的划分

桥梁类荷载 (作用) 和建筑结构类荷载 (作用) 有较大区别, 除恒载和活载外, 附加力和特殊荷载种类和组合方式有着特殊的要求, 在对比建筑结构对荷载的划分和组合方式, 可将表中荷载以极限设计法为原则, 参照建筑结构荷载划分和组合方法, 进行分类和组合, 其中所涉及的组合系数、分项系数、活荷载的频遇系数、准永久值系数将按照《建筑结构荷载规范》中相关要求确定。

3.2 荷载组合

荷载组合是结构计算中的重要内容, 荷载作用于结构的作用数值大小直接由各工况下的荷载组合确定, 荷载组合也是极限状态设计法和容许应力设计法最根本的区别之一, 参与组合的荷载已列于前表, 组合方法和系数按照建筑结构荷载组合方式进行, 举例说明于下:

以温度作用参与组合为列, 其组合包含“恒载+活载+地震作用+温度作用”, 表达式为:

S=1.2 (或1.0) *[恒载+0.5* (L1+列车竖向静荷载或列车竖向动荷载+列车制动力或牵引力+列车横向摇摆力或列车离心力+人群荷载满布工况) ]±1.3*横向水平地震作用 (或纵向水平地震作用) ±0.5*1.0*竖向水平地震作用±1.4*0.2*温度作用

4 计算结果的判别和分析:

计算结果的判别同时以建筑结构规范和桥梁类规范、地铁相关规范为依据, 对要求不同的参数加以判别后确定依照的依据, 确定专业间交叉的空白点的依据。

i.计算结果的判别和分析:

极限状态设计法生成的荷载组合超过200个, 整体变形、应力状态和构件满足承载力状况均须对比各组合产生的计算结果, 下图为柱底施加强制位移条件下, 恒载+活载+风载+地震组合之一工况下, 结构整体变形图:

计算过程中, 根据计算结果, 对墩柱、盖梁等构件断面进行了反复调整, 将主要荷载组合工况下计算结果列于表1。

5 整体结构计算过程主要参数和局部模型

5.1 主要参数确定原则

1) 抗震设计:地震作用按照当地抗震设防烈度进行计算, 抗震措施应按照乙类建筑确定其抗震等级, 若盖梁悬挑长度较大, 则应在上述基础上对抗震等级再做提高, 举例说明:某工程为六度设防地区的单排墩柱高架站, 盖梁悬挑长度10m, 两层建筑。在抗震计算时, 地震力作用按照6度计算, 抗震措施由丙类一般建筑的四级抗震等级提高至二级, 按照二级采取抗震措施。

地震作用要考虑水平单向作用、双向地震作用和竖向地震作用。

2) 砼等级:不宜低于C40, 当盖梁、轨道梁为预应力构件时, 等级可根据计算需要确定。

3) 纵梁刚度放大系数:根据纵梁高度和站台层或站厅层楼板板厚的比例关系确定, 如纵梁高1.5m, 楼板厚150mm时, 中梁刚度放大系数可取1.0~1.1。

4) 梁端负弯矩调幅系数:考虑到砼的塑性性质, 应对梁端负弯矩进行调幅, 方法同建筑结构要求, 一般取0.85, 同时对梁中正弯矩放大1.2倍。

5) 周期折减系数:此参数反映填充墙对结构侧向刚度的影响, 根据墙体实际设置情况确定, 当墙体数量较少时, 不做折减, 取1.0。

5.2 模型中包含的主要约束类型或边界条件

盖梁与墩柱、纵梁与盖梁间均为固结, 轨道梁和盖梁间可为固结或铰接, 桩基或其他基础同地基连接方式应考虑地基的弹性抗力作用, 以弹性支撑方式计算。

5.3 考虑地基土弹性抗力因素的基础部分模型

桩-土协同变形的计算原理, 简述如下:桩在上部荷载作用下, 虽有桩周土约束, 在水平方向会产生位移, 其计算可通过地基系数-表示为Cy、即土体的抗压弹性变形模量, 水平地基系数随深度变化的比例系数-表示为m, 以及, 桩体水平位移-表示为x之间的关系得以实现, 通常情况下, 地基系数随深度增加呈直线增长, 随深度增加而减小, 二者相乘的结果也呈现随土深度增加而不断减小的趋势。

6 总结及结论

总结以上所述, 高架站分析计算原则如下:

(1) 以极限状态设计方法进行分析计算;

(2) 须建立整体结构模型进行计算, 包括地基部分要考虑基础与土的相互关系;

(3) 荷载需同时考虑桥梁类和建筑结构类荷载, 并且以极限状态设计法进行分类组合;

(4) 计算结果的判别须结合桥梁规范、建筑结构规范和地铁规范选择控制值进行判断。

由此计算的结果主要参数符合桥梁规范、建筑结构规范和地铁规范中相关要求, 上述分析计算理论和方法基本合理、适用, 为高架站计算和分析设计提供可行的解决方法, 希望有助于地铁设计理论的丰富和发展, 更盼望得到各界人士的帮助和交流。

参考文献

【1】潘昌实, G.N.Pande;黄土隧道列车动荷载响应有限元初步数定分析研究【J】.土木工程学报;1984 (04) .

【2】高峰;地下结构动力分析若干问题研究【D】.西南交通大学; (2003) .

重庆地铁某高架车站结构有限元分析 第4篇

本工程为标准三层高架侧式车站,按功能需求局部作夹层设计,顶部设钢结构站台雨篷。侧式站台宽度各为4 m,一层(地面层)为车站出入口,二层为站厅和车站设备、管理用房,三层为站台层。车站平面呈“一”字形,总长度为123 m,总宽为21.8 m,车站有效站台中心轨面距地面高差19.28 m,主体部分建筑面积为4 984.5 m2。高架车站采用建桥合一的结构形式,设单排墩柱、双层悬挑盖梁,其中墩柱间距为15 m,盖梁悬挑长度为9.5 m。站房主体结构体系为钢筋混凝土框架结构,站台层和站厅层的楼面结构采用钢筋混凝土现浇梁板结构,轨道梁的结构形式采用现浇矩形梁,与盖梁固结连接,在车站纵向形成钢筋混凝土连续梁。车站主体结构横剖面图见图1。

2 结构整体计算分析

2.1 计算模型建立

城市轨道交通中的高架车站,由于荷载工况和受力变形均较为复杂,PKPM系列的空间三维分析设计软件SATWE在进行结构整体分析时不能完全适用,所以本高架车站在结构整体分析时借助有限元软件Midas/Gen7.1.2进行计算。高架车站由下部混凝土框架主体结构和上部钢结构站台雨篷两部分组成。在建模分析中,下部主体结构的梁、柱构件采用三维梁单元建模,混凝土楼板采用板单元(厚板)建模,相比于选取刚性隔板假定板单元能较好的考虑变形及温度效应。在主体结构的墩柱底部,为考虑柱下桩基在土体中变形对上部结构的影响,结合地质资料在模型的墩柱下增加8 m柱长并考虑桩土的相互作用。Midas中边界条件的一般弹性支撑可考虑x,y,z三个方向的平动刚度和转动刚度,在增加柱长的梁单元上等间距设置一般弹性支撑,模拟接触土体部分的弹性约束,另在柱底设置完全固结的一般支撑节点一般弹性支撑x,y方向的刚度按照等效原则[1]取地质报告中的地基反力系数乘以相应节点的有效面积得到。上部钢结构部分,由于杆件繁多致使节点单元数量较大,为计算中节省机时,在SAP2000中完成雨篷钢结构设计后将雨篷柱底最不利内力作为节点荷载加在盖梁端部,以此方式来考虑钢结构对下部结构的作用。高架车站的有限元计算模型见图2。

2.2 荷载的选取及组合

对于建桥合一的结构体系,在荷载工况的选取及组合上,既要满足建规的设计条文,又要合乎铁路桥规的要求。

荷载组合时,在极限状态设计原则下,对建筑结构类恒载、活载、风荷载、地震作用进行组合外,也引入铁路桥规中恒载、活载、附加力、特殊荷载进行组合。组合时综合考虑了建筑结构荷载规范和桥梁设计规范的设计原理和限制条件。在结构模型上施加恒载、活载及风荷载,此外桥规中的列车横向摇摆力、制动力作为活荷载施加于结构。通过指定梁单元温差施加混凝土结构温度荷载以考虑温度效应。水平及竖向地震作用则通过振型分解反应谱法施加,对混凝土结构阻尼比选取为0.05,在特征值分析方法[2]中,选择考虑荷载空间分布状态及动力贡献的多重Ritz向量法,振型组合选择考虑耦连的CQC法。另外在结构柱底隔跨施加Δz=5 mm的竖向沉降位移。在荷载组合中,除Midas程序中引入的中国规范内混凝土结构的默认组合及包络组合外,另增加考虑温度作用、支座变位影响的荷载工况组合,同时考虑了人群活荷载的上下层满布分布,上下层同侧分布及上下层不同侧分布的情况。其中几种较典型的荷载工况组合如下:

1)1.2(1.0)恒载+1.4活载(当恒载对结构有利时,取荷载组合系数为1.0);

2)1.35恒载+1.4×0.7活载;

3)1.2恒载+1.4×0.7活载+1.0温度;

4)1.2恒载+1.4活载+1.0温度+1.0位移;

5)1.2(1.0恒载+0.5活载)+1.3水平地震+0.5竖向地震+1.4×0.2温度;

6)1.2(1.0恒载+0.5活载)+1.3双向地震+0.5竖向地震+1.4×0.2温度;

7)1.2恒载+1.4风载+1.0温度;

8)1.2恒载+1.4活载+1.4×0.6温度+1.4×0.4风载;

9)1.2恒载+1.4活载+1.0位移。

3 主要分析计算结果

3.1 周期及振型

建立空间模型完成结构分析后,按照结构的振型质量参与系数应超过90%的原则,计算前30阶振型,并通过输出的质量参与系数来判定结构的振型模态属于某一方向的平动振型或扭转振型。结构基本自振周期T1=1.692 s;T2=1.401 s;T3=0.997 s,前三阶的振型模态分别为横向平动模态,扭转模态,纵向平动模态。由于结构纵向长度较大,使扭转模态出现在第二阶振型中。结构的前三阶振型参数输出结果见表1。

3.2 结构变形

结构有限元分析后得到各种荷载工况及组合下的变形情况,在程序设计的荷载组合中,程序可按施加荷载的属性自动生成规范的荷载组合工况,并生成包络的结果,但对于一些较为特殊的荷载,如温度荷载,支座位移则需要人工输入荷载组合系数来完成工况的组合。由于结构荷载的复杂性,荷载工况组合数量庞大,本文仅将部分较典型荷载工况下结构变形情况列于表2,表2中的位移和挠度数值取自人群活载按照满布,同侧分布,不同侧分布中的大值。

mm

有限元分析的结果表明,结构的最大位移均满足建筑和铁路规范的限值要求。墩顶最大纵向位移11.79<4 L=15.49 mm;墩顶最大横向位移16.31<5 L=19.36 mm;纵梁最大挠度42.75<L0/300=50 mm;盖梁端部最大挠度37.01<L0/300=63.3 mm。

4 结语

本文借助Midas/Gen有限元程序,完成地铁高架车站主体结构的建模及分析过程,有限元分析具有以下一些优点:

1)程序通过输入地震反应谱函数进行地震动力分析,分析结果较为精确,多重Ritz向量法可在模态分析中得到较为可信的特征周期及自振模态。2)在荷载组合中,通过定义不同的荷载工况,添加荷载工况组合,可依照设计者的意图灵活考虑多种荷载作用下结构的内力及变形。3)对于结构下部桩基与土体接触的弹性作用,可通过输入一般弹性支撑这种弹性约束来模拟此种接触作用,更真实的反映了整个结构在荷载作用下的受力性能。

摘要：介绍了地铁高架车站的结构设计过程,并借助Midas有限元程序建模进行结构整体性能分析,分析中考虑了建规和铁路桥规中的荷载及组合、人群活载的不同分布、主体结构墩柱底部桩基与土体间的弹性作用等因素,从而较真实的模拟了结构的受力状态。

关键词：高架车站,有限元,结构设计,荷载组合

参考文献

[1]TB 10002.5-2005,铁路桥涵地基和基础设计规范[S].

[2]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].第2版.北京:中国水利电力出版社,1998.

地铁高架区段 第5篇

上海市污水治理白龙港片区南线输送干线完善工程 (东段输送干管) 管道起点自外环线和罗山路交叉口, 与原南线西段相接, 沿外环线和迎宾大道自西向东敷设, 至远东大道后折向北, 沿远东大道自南向北敷设, 至龙东大道后折向东, 与中线, 南干线一起, 沿龙东支路分别进入白龙港污水厂, 处理后外排长江, 干管总长约26.1km, 采用2根内径4m钢筋混凝土顶管。管道需在华洲路、远东大道西侧穿越2号地铁东延伸段。此处2号线为架空段, 顶管管道需从线路承台下方穿越。

2 设计方案

顶管管道穿越处2号地铁东延伸段高架承台中心距约为28.4m, 华洲路跨线桥承台中心距约为20.0m。为避让两者的承台支撑桩基, 采用直线顶管方案, 2-DN4000钢筋混凝土顶管分别在华洲路跨线桥两跨承台之间和2号地铁东延伸段一跨承台之间垂直穿越。穿越处, 地坪标高约为4m, 管道内底标高约为-10.45m, 管道距承台最近距离为2.83m, 距承台下桩基最近距离为3.8m。管道顶管穿越2号地铁东延伸段处平剖面图如图1、2所示。

该段顶管管道工作井采用单管圆形工作井, 内径11m, 接收井采用双管矩形接收井, 内尺寸16.5mx7m。顶管工作井、接收井均采用现浇钢筋混凝土沉井结构, 不排水下沉、水下封底。为尽可能减小顶管井在下沉过程中对2号地铁东延伸段及周围建筑物的影响, 在沉井外侧先加做一圈Φ850mm三轴水泥搅拌桩 (搭接250mm, 间隔插置型钢, 高度从沉井的起沉标高至沉井刃脚底以下5m) 作为隔水帷幕及挡土结构。

在顶管穿越处2#线承台外侧先采用2根Φ900mm“MJS”工法的高压旋喷桩 (搭接300mm) 进行桩侧土体加固, 总宽度约1.50m, 深度从管顶以上4.0m至管底以下4.0m, 以减小顶进过程中土体对承台的挤压效应。

该工程中顶管管节进行了单独设计, 与普通的顶管管道相比, 在F型接头处设置了双道橡胶密封圈, 有效地减小管道接口渗漏水现象发生。另外, 为了确保该段主干管的正常运行, 在内壁再增加一道不锈钢板止水, 采用双保险防止管道渗漏发生。

3 有限元分析

由于顶管管道距2号线架空段承台距离较近, 突破了常规设计[1], 设计过程中借鉴了国内相关工程研究成果[2,3], 利用有限元分析提供设计依据。

根据工程设计方案, 采用MIDAS-GTS岩土与隧道分析系统的专用有限元分析软件模拟顶管顶进对桩基、承台影响。

有限元分析作如下假定

1) 在顶管顶进过程中忽略土体变形的时间效应;

2) 顶管管道为各向同性的线弹性材料;

3) 假定各土层均呈匀质水平层状分布;

4) 不考虑受施工扰动影响范围内的土体物理力学参数的改变。

为方便计算, 分析采用2维有限元模型, 将各土层、承台的支撑桩、顶管等整体性建模, 模拟顶管顶进过程中土体、桩基的变化。土体采用摩尔库伦模型, 根据工程地质勘察报告确定模拟计算的参数, 共分为7层;顶管管节、承台、桩基采用梁单元, 材料属性根据钢筋混凝土材料确定, 考虑不同截面影响;桩侧土体加固考虑采用土体属性修改完成。有限元模型如图3所示。

模拟施工阶段分为以下3个步骤

1) 桩侧土体加固, 土体固结完成;

2) 左侧顶管土体挖除, 顶管管道顶进;

3) 右侧顶管土体挖除, 顶管顶进。

有限元分析计算结果如图4~图6所示。从计算结果可以看出, 考虑地基加固后的桩基的最大竖向位移约为1.7mm, 最大水平向位移约为0.8mm, 土体的最大竖向位移约为5.8mm, 其值都很小 (均为mm级) 。经向2号地铁东延伸段运行管理部门———申通公司相关人员咨询, 2号地铁东延伸段的轨道支座是可调节的, 调节幅度为1~2cm, 由于本工程顶管穿越产生的支座附加变形不足2mm, 是不会影响2号地铁东延伸段正常运行的。

故按本方案2-DN4000的钢筋混凝土顶管穿越2号地铁东延伸段在理论上是可行的。

4 施工措施

本段顶管施工难度较大, 需要满足在顶管施工过程中土体超挖损失量不大于1%、管道轴线水平误差不大于20mm、竖向误差不大于50mm。施工过程中重点控制以下方面:

1) 优选顶管掘进机

采用大刀盘泥水平衡或土压平衡机头。

2) 通过试顶进优化顶进参数

在穿越2号地铁东延伸段前, 应合理选定施工参数, 严格控制顶进速度, 严格控制出土量, 穿越施工过程中再根据监测情况及时进行施工参数的调整。

3) 采取合理施工措施

做好触变泥浆压浆控制:在顶管管节外壁与土层之间形成良好性能的触变泥浆套, 不仅可使顶进阻力成倍的下降, 而且对控制地表沉降、减少土体的扰动有很好效果。

加强施工测量, 严格控制顶进姿态:顶管姿态取决于顶进测量的精度和纠偏的效果。顶进时做到勤测勤纠, 一旦发现偏转趋势就进行纠偏, 及时调整顶进姿态。

加强监测, 信息化施工:施工时对穿越处采取严密的监测措施, 根据监测数据及时调整施工工艺, 发现不良情况及时采取应急措施, 以保证磁悬浮的安全。

4) 重视穿越后施工措施

顶管施工结束以后, 对于穿越2号地铁东延伸段地段及时用迟凝泥浆置换原有的触变浆液、或对触变泥浆进行固化。施工结束后, 为解决2号地铁东延伸段后期沉降的问题, 要求对2号地铁东延伸段继续进行跟踪监测, 施工监测将持续到顶进施工后1~2个月, 并做好后期注浆加固, 直到沉降基本稳定为止。

5 监测

在顶管实施过程中, 有第三方监测单位制定并实施了严密的施工监测。监测范围为以顶管管道与2号线的平面相交处为中点, 两侧各2根高架立柱 (共4根) 。监测内容为

1) 立柱垂直位移监测;

2) 立柱倾斜位移自动化监测;

3) 土体水平位移自动化监测。

根据本工程特点, 监测频率及监测进程在“全面、准确、及时”的原则下制定。施工前测量3次初始值;管道进入2号线30m范围处, 按2次/日测量;管道离开2号线30m范围处, 按1次/日测量;施工结束后, 按2次/月测量。

工程施工期间监测报警值根据《上海市轨道交通管理条例》制定:

1) 垂直位移>5mm或连续3d同向变化速率>0.5mm/d;

2) 水平位移>5mm或连续3d同向变化速率>0.5mm/d。

根据监测结果, 本次顶管施工中, 对2号线高架影响主要表现为立柱的垂直位移, 立柱周边土体的水平位移和倾斜变化量均较小。图7为2号线高架立柱沉降变化曲线, 从中可以看出, 当顶管顶进时, 开挖面土体受到水平应力大于原始应力, 使工作面前上方土体受挤压, 导致顶管到达2号线监测区时, 对2号线高架结构的影响表现为上抬, 总沉降量均在4mm内, 故本顶管穿越工程对2号线无明显影响。

6 结语

本文介绍了超大直径顶管管道穿越高架线路时的设计方案, 有限元分析结果为穿越方案的制定提供了初步参考依据, 通过严格的施工控制和严密的监测工作, 表明超大直径顶管穿越高架线路是安全、可靠的。

摘要：以上海市某工程顶管下穿既有地铁高架线路为背景, 对顶管穿越高架线路的设计方案、有限元分析、工程实际施工要求及实际监测结果进行相关介绍。

关键词：超大直径顶管,有限元,监测

参考文献

[1]葛春辉.顶管设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社, 2012.

[2]杨果岳, 刘浩航, 尹志政, 钟政意.顶管上穿施工对既有地铁隧道的影响[J].吉首大学学报 (自然科学版) .2014, 35 (2) :57-60.