探析地铁高架站结构设计要点
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摘要:我国地铁设计规范规定，高架结构采用容许应力法设计。本文结合多年的工程实践，针对我国地铁高架车站结构设计的现状、存在的问题等，从与结构形式有关的高架车站形式分类、结构形式的选择、轨道梁与车站结构的关系、区间桥梁与车站结构的关系、关于地震作用、关于场地土类别的划分、“建一桥结合”高架站整体分析、结构的刚柔问题等方面论述了地铁高架站结构设计要点。并提出了一些抗震概念设计方法、工程措施。
关键词:高架车站;移动荷载;抗震概念设计;延性设计;性能设计
中图分类号：U448文献标识码： A
1、与结构形式有关的高架车站形式分类
结合城市总体规划、交通规划，城市轨道交通线路往往与城市道路采用相同的路由。根据高架线路与城市道路的相对关系，高架站分为路中车站、路侧车站。其中路侧站，一般不需要通过设置盖梁承托上部结构，在下方设置城市道路空间，因而结构设计相对简单(对于建桥分离的结构，也可能存在通过设置盖梁承托站台层的结构)。以下所论述的问题，均以路中车站为对象。而对于路侧车站，或无关或同样，一目了然。
车站设置于路中或路侧，除了依据区域规划、线路敷设、周边环境等进行站位比选外，与结构专业有关的主要涉及这些因素:设防烈度、路中绿化带(隔离带)的宽度(“建司乔结合”的车站，不能为单柱，绿化带宽度有无条件设柱)等。
2、结构形式的选择
车站高架结构中，与承受列车移动荷载有关、无关的构件，分别按“桥规”、“建规”执行。因此，我们大多在习惯上根据这两类结构的构件组成是否有隔离,即两者间是否有设置防震缝来分离来区分。两者间有设置防震缝来分离的叫做“建-桥分离式”，两者间没有设置防震缝来分离的叫做“建一桥结合式”。 建-桥分离式的建筑结构一般采用框架结构，而建一桥结合式一般采用框架结构或框支框架结构。在这两类结构中，“建一桥结合式”用框架结构设计难度最大。
3．轨道梁与车站结构的关系
在“建一桥结合”的车站结构中，可以将简支轨道梁通过桥梁抗震橡胶支座置于横向框架梁上。也可以采用现浇轨道梁，与横向框架梁或盖梁整浇。前者受力分析简单，车站站台层层高较大，可更换支座，但在车站内部，更换往往因空间狭小而比较困难;后者轨道梁不需要支座，车站站台层层高较小。
4.区间桥梁与车站结构的关系
在“建一桥分离式”车站中，区间桥梁与车站范围桥梁其实是一个整体，只需在车站范围内将孔垮布置与车站柱网相协调。而在“建一桥结合”式车站中，可以将与车站相邻的一孔区间桥梁，置于车站横梁上，也可以在车站端部单独设置区间墩柱，形成车站、区间双柱共基础的形式。是否独立设柱，依据区间桥梁传给支座的荷载大小、规划要求、区间是否设置配线等诸多因素确定。一般当为双线、区间孔垮不大于35 m时，可不单独设置区间墩柱。
当区间桥梁支承于车站结构上时，横向地震力的传递问题，按照支座承载能力及支座的构造不同，一般为20%一30%;因为温度作用，纵向需设置滑动支座，当采用纵向滑动支座时，纵向不传递地震力。
5．关于地震作用
即使表达形态不同，地震作用反应谱，桥规和建规都是完全相同的。铁规以动力放大系数β（单质点的最大绝对加速度与地面最大加速度的比值β）表述，称为动力系数反应谱曲线，或R谱曲线。而建规采用相对于重力加速度的单质点绝对最大加速度一地震影响系数a表述，称为a反应谱。而两者之间存在关系:a-- Kβ,其中K为地面运动的最大加速度与重力加速度的比值。
6．关于场地土类别的划分
建筑抗震规范、铁路抗震规范关于场地土类别的划分，存在差异。铁规的划分标准是计算深度范围内的等效剪切波速来衡量的，一般来说计算的深度取地面或一般冲刷线以下25 m，并不得小于基础底面以下10 m。而建规的划分标准是依据计算深度范围内各层土的等效剪切波速、场地覆盖层厚度为准，且计算深度取覆盖层厚度和20 m二者的较小值。
但是这样，就会出现同样的场地，而按照两规范确定的场地土类别却不一样的情况。不得不说，这是我们规范体系的尴尬境地，也可以说是两者的安全储备不同。如某项目按建规判别为II类，而按铁规判别为II类。设计时，偏于安全因素考虑，取不利情况II类进行地震作用计算。
7．“建一桥结合”高架站整体分析。
轨道梁承受移动荷载，像M IDAS /CIVIL,S A P2000等程序可以加载移动荷载。 当轨道梁与车站结构不整浇时，计算则相对简单，仅对轨道梁加载乘以动力系数的移动荷载，除竖向力外，依据不同的支座，将一定比例的其他水平力分主力、附力、特殊荷载分别作用于车站结构上。
需要强调的是：在复杂结构设计中，概念设计的意义远远大于结构受力分析。因此，需在概念设计的框架内进行受力分析、判定其结果的合理性。
8．结构的刚柔问题
某“建一桥结合”的路中高架站，岛式站台，现浇轨道梁与横向框架梁或整浇。抗震设防分类为乙类，设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.2g，设计地震分组第一组。按9度采取抗震措施，框架抗震等级为一级，框支框架抗震等级为特一级。车站横剖面如图1所示。
当将站台层设置于最上层时，我们一般采用轻钢结构屋盖，优点在于使站台层视野开阔、结构轻盈。由于屋盖钢结构很轻柔，在整体模型计算时会使得第一周期长出很多，而结构轻柔的假象也会致使计算出的地震力大大偏低，严重影响结构的安全。如果不计入顶层屋盖的结构则会造成计算刚度大，地震力也相应增大。因此在这类结构中，在整体模型计算中不会纳入屋盖，只按荷载输入，对柱脚的连接进行抗震验算。综上所述，对规范的要求，需理解其实质、灵活应用。
此外，由于这类结构需要考虑汽车的撞击力、承受列车荷载等，使得结构偏刚，自震周期大进而地震反应甚大。因此底层柱可采用增设芯柱、加大柱体积配箍率等措施，来提高延性进而提高自身结构。如图2所示。
9．截面设计
如本文第二条，规范规定了需按桥规进行设计的构件。但是作为一个整体受力的空间框架结构或框支框架结构，荷载组合及截面设计采用容许应力法和极限概率理论，进行设计，十分复杂，越是复杂，也越是增大了出错的概率。
如图1所示结构，若按照建规，抗震设防分类为乙类，属于框支框架，当设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.2g，设计地震分组第一组时，需按9度采取抗震措施，框架抗震等级为一级，框支框架抗震等级为特一级。按照这些条件，进行截面设计时，与容许应力法比较，需进行如下调整:
1)材料分项系数，钢筋约1. 1,混凝土约1. 4
2)荷载分项系数，永久荷载1. 2或1. 35;可变荷载1. 4或1. 3
3)结构重要性系数x0，安全等级为一级时为1.1
4)内力调整系数，以底层柱为例，一级框架结构的底层柱下端截面组合的弯矩设计值，乘以增大系数1. 5，而柱剪力再按调整后的弯矩基础上再按照强剪弱弯的原则，再乘以增大系数，一级取1. 4。而特一级时柱端弯矩、剪力再增大20% 。
10、关于框支框架底层柱中震弹性的必要性
地铁高架站属于重点设防类、100年设计使用年限的重要性建筑。特别是路中高架站，属于框支框架。笔者认为，底层柱中震弹性设计十分必要，目前国内对这方面没有明确的规定。
结束语
高架站设计，尚有许多方面值得注意。建议车道板厚度不小于300 mm，采用双层双向配筋;根据区间工程筹划，需要考虑架桥机、运梁车过站工况的方案必选，也可采取临时支撑措施;北方地区除冰盐引起的腐蚀问题在耐久性设计时需特别注意;基础的不均匀沉降及次内力的影响，结构很难承受，一般建议在基础设计时，使其满足不产生不均匀沉降，以简化设计，尽管基础设计增加投资，但对于整体投资、结构安全，不见得是件坏事情。
参考文献
[1]GB50157一2003地铁设计规范[S]
[2]GB 50157 - ( 2009年10月征求意见稿.电子文件)地铁设计规范[S]
[3]GB 50011一2001(2008年版)建筑抗震设计规范[S]
[4]GB50011一2006(2009年版)铁路工程抗震设计规范[S].
作者简介：赵亮（1984—），男，辽宁沈阳人，2007年毕业于辽宁工程技术大学，学士，助理工程师，现从事结构设计研究工作。