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杭州东站桥建合一结构桥梁设计关键技术研究

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2016年l0月 第l0期(总217) 铁道工程学报 0ct 2016 JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY NO.10(Ser.217) 文章编号:1006—2106(2016)10—0073—04 杭州东站桥建合一结构桥梁设计关键技术研究 宋子威¨文功启 潘茂盛薛照钧 (中铁第四勘察设计院集团有限公司, 武汉430063) 摘要:研究目的:杭州东站是一座集桥梁、建筑为一体的铁路大型客站,其承轨层桥梁结构不仅在外观、尺寸等 方面需满足建筑要求,还同时承受铁路和上部建筑结构传递下来的荷载,受力情况异常复杂。本文旨在总结 杭州东站承轨层桥梁设计的关键技术。 研究结论:(1)杭州东站采用型钢混凝土梁、钢管混凝土柱纵横梁刚架体系可满足结构受力需要,结构受 力合理且满足规范要求;(2)对于桥建合一结构,必须建立桥梁、建筑结构整体模型,对结构静力、车桥耦合动 力进行计算分析;(3)桥梁结构同时承受铁路和建筑荷载,需将荷载按照铁路规范组合并按照容许应力法进 行结构检算;(4)本研究结论可为类似桥建合一结构提供参考。 关键词:桥建合一;杭州东站;纵横梁刚架体系;型钢混凝土;容许应力法 中图分类号:U455 文献标识码:A Research on the Key Techniques for Design of Integrated Bridge and Construction and Bridge Structure of Hangzhou East Railway Station SONG Zi—wei,WEN Gong—qi,PAN Mao—sheng,XUN Zhao—jun (China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.Ltd,Wuhan,Hubei 430063,China) Abstract:Research purposes:Hangzhou East Station is large and fully elevated passenger railway station featuring an integrated bridge and building structure,the design of the bridge stuctrure will not only meet the railway load requirements,but also will be competent to carry the load from the building.This paper introduces the key techniques for the design of the bridge in the integrated bridge and constuctrion. Research conclusions:(1)Hangzhou East Station adopts the concrete fiHed steel tube for pillar,and steel reinforced concrete for girder,which is reasonable and the component is reasonable and meet the requirements of the code.(2)As orf the bridge and architecture uniifcation,it is necessary to establish a whole model which contain both bridge and architecture construction to run the static calculation and analysis of vehicle bridge coupling.(3)Since the bridge of track bearing layer bears loads from both the railway and the architecture,these loads should be combined according to the railway codes and the constuctrion should be check—calculation on the basis of lalowable stresses method.(4)The research conclusions can provide references for the similar structure in the future. Key words:integrated bridge and construction;Hangzhou East Station;stingerr and horizontal system;steel reiforced nconcrete;allowable stress method 桥建合一结构将桥梁与房屋建筑结构巧妙组合在 一候车、换乘环境,整体性好,成为近年大型站房承轨层 桥梁结构的首选方案 卜 。新建杭州东站站场范围内 起,因其既有效利用轨道上下空间,又营造出宽敞的 收稿日期:2016—06—27 基金项目:铁四院科研基金《客货共线144+288+144m部分斜拉桥设计研究》(2013K07) 作者简介:宋子威,1984年出生,男,高级工程师。 74 铁道工程学报 2016年10月 有15台3O线,依次为宁杭甬场(13股道)、沪杭长场 (12股道)、浙赣普速场(5股道)3个车场。站场范围 内集车站站房、铁路承轨层、地铁车站于一体,铁路承 轨层设置在中间,其上设车站站房,其下设地铁车 站 ,如图1所示。 屋顶39.9 图1杭州东站顺轨向剖面(单位:m) 新建杭州东站采用有砟轨道,荷载方面:浙赣线采 用“中一活载”,设计速度120 km/h,宁杭、沪杭场正线 及到发线均采用“ZK活载”,设计速度200 km/h。根 距为21.5~25.5 m,对应编号为C~Q轴,横向总宽 330.1 m。为减少正线列车运营对结构的影响和解决 混凝土收缩和温度问题,国铁正线采用预应力混凝土 刚构桥梁,即宁杭正线、沪杭正线及浙赣正线采用独立 的梁式桥方案 J。 据地质资料显示,站场处地层表层为第四系全新统冲 海积层粉土、粉质黏土,底层为侏罗系凝灰质细砂岩, 埋深约45—55 m。所处地为Ⅲ类场地,地震抗震烈度 为最大程度保证建筑空间通透,承轨层采用钢管 混凝土柱+双向型钢混凝土梁空间格构体系,上下结 构立柱贯通,保证结构受力明确合理。格构体系最大 的面积为宁杭正线到沪杭正线间,纵向长度111.6 m, 为6度,设计地震基本加速度0.05g;主体结构设计使 用年限100年 J。 1 总体设计 1.1柱网布置 横向长度117.6 m。考虑到受路基填土及剪力墙影 响,最外侧主立柱旁各设置一根次立柱,其余立柱布置 因考虑地铁楼梯、出租车通道等局部进行调整,柱网布 置图如图2所示。 1承轨层共15台30条到发线,顺轨道方向布置为 (21.7+21.7+24.8+21.7+21.7)m,对应编号为 11—16轴,中心间距111.6 m。垂直轨道方向,一般间 c(c )D E F F G G 1.3.Z1.) m— H J K L L M M 1.) Zl~I 2,1.) ZI. N P P I.3 I珥. Q j.3 Z1.3 Z1.) ZJ.) Z1.3 Z1.) 1.bI .2 lU. r二 二 l -I  l12 宁 杭 正 线 沪 杭 结构 中心线 框内 勾地铁范 围柱 线 浙 赣 线 13。。 。o 14 丁 桂 为土}Il 范围 悻 15 1, , 杭 钢管报 凝土匦 柱 正 线 桥台 钢管 混凝土 方柱 ,一 一 沪 杭 正 线 浙 赣 线 l 23.5 21.5 21.5 21. - Z1.5 21.5 21.5 21.5 21.5 21.! 21.5 21.5 21.5 14.9 Lr c(c )D E F F G G H J K L L M M N P P 。lO. Q 图2柱网布置图(单位-11'1) 纵横梁布置与柱网相适应,主横梁的布置间距与 跨度对应,主纵梁位于两条到发线中心,并在列车停靠 处布置两根轨道梁,以达到分散受力目的。立柱、横梁 及纵梁交叉连接,与站台梁一起形成了空间格构体系, 第10期 宋子威文功启 潘茂盛等:杭州东站桥建合一结构桥梁设计关键技术研究 75 图3给出12轴F—J柱横轨剖面。 图3承轨层横轨向剖面(单位:cm) 为最大限度利用站内空间及减少装修造价,在设 计中将出站层上部的设备管网进行了管线综合设计并 在纵横梁中穿过。这使得站房内部配套的各种管线和 设施与桥梁结构系统整合,最大可能性利用空间,以达 到整体功能强、建筑景观最优。 1.2结构设计 立柱节点为例说明纵横梁构造设计,立柱采用直径 2.0 m钢管混凝土结构,纵横梁梁高在梁端为3.0 in, 中部梁高2.5 in,梁宽1.8 111。采用环形板将立柱与型 钢翼缘连接,环形板与立柱采用焊接,与型钢梁翼缘采 用焊接。在环形板之间设置加劲板,加劲板和型钢梁 腹板采用高强螺栓连接。为增强型钢和混凝土共同受 力,在梁端一定范围内翼缘钢板上布置剪力钉,如图4 所示。 混凝土外缘 桥 面板{ 日筋 I)UU 0l  }U)UU )  ll\ 。 为最大限度增加净空,综合消防、耐久性和施工 便捷等因素,选用型钢混凝土纵横梁刚架体系 。以 _1 000\ 0 ’ 坡口焊 l ftt-l『fff-ttfI T Tftf■----t / \ 、/ 』 , 立柱 量 n 高强螺栓纵梁 /——————一 晷 0 N  . . : ■。'。'。一景 ●一 — 0 : 1 800 2 l )oO 1 20o 2 Ooo  l图4主纵梁典型横断面(单位:mm) 由于承轨层刚架体系同时承受铁路和建筑荷载, 受力条件极为复杂,梁柱节点处承受较大双向弯矩。 对节点进行细部分析,结果表明节点受力明确、合理, 安全性可以得到保证。 以上主要是屋顶雨棚受风荷载,候车厅层主要受人群 荷载、设备荷载。但是在线下工程中,轨道层与上部雨 棚建筑相连,通道立柱与地铁结构相连,除了自身受到 铁路荷载、站台上人群荷载以外,还要承受候车厅层立 2关键技术研究 2.1桥建合一结构分析方法 在杭州东站从桥建合一体系受力来看,在站台层 柱传下来的荷载,因为站台层受力异常复杂。因此针 对桥建合一结构的实际受力特点及实际设计需要,必 须建立桥梁和建筑的整体模型。采用通用有限元软件 MIDAS/CIVIL建立整体有限元模型,模型采用空间 76 铁道工程学报 2016年1O月 梁、板单元,纵横梁和立柱采用型钢混凝土组合截面的 梁单元建立,桥面板和站台梁采用板单元建立。梁柱 节点等采用共用节点、刚性连接等形式模拟,考虑整体 升温和局部温差的作用。 2.2动力性能研究 杭州东站采用桥建合一结构,桥梁与建筑结构共 同受力,当列车高速通过承轨层时,会激起承轨层桥梁 结构振动,进而引起相连的建筑结构振动,桥梁、建筑 结构的振动又加剧了列车振动,二者相互影响形成耦 合振动。为确保结构正常使用,营造一个安全舒适的 车站乘车环境,必须建立统一列车一站房结构整体动 力分析模型,对列车高速通过和停靠时引起的车桥耦 合振动进行计算分析,对列车运行的安全性、舒适性的 影响和对车站环境振动进行整体分析及评价。 对杭州东站建立列车一站房结构整体动力分析整 体模型,对德国ICE3高速列车、国产CRH3高速列车2 种车型通过桥梁时的车桥系统空间动力响应进行了计 算分析。结果显示:列车以高速通过或停靠时,桥梁的 动力响应、行车安全性均能满足要求,乘坐舒适度符合 相关规定。 2.3设计规范 桥建合一结构是涉及桥梁结构和建筑结构的跨学 科结构形式,承轨层桥梁既承受来自列车的直接荷载, 又承受来自上部结构传下来的建筑荷载,不利工况较 为复杂且难以确定。目前铁路桥梁规范和建筑结构规 范没有专门针对这类结构的内容。建筑结构规范采用 以概率论为基础的极限状态法进行结构设计,而铁路 桥梁设计规范仍采用弹性理论进行结构设计,用容许 应力法进行设计。因此在进行这类桥建合一结构设计 中要求同时满足建筑相关规范和铁路相关规范要 求 ,在设计过程中荷载取值和荷载组合需同时满足 桥梁和建筑规范要求。对于型钢混凝土梁的检算需满 足铁路规范要求。我国现行铁路桥梁规范中并没有针 对型钢混凝土设计的内容,为与现行铁路桥梁规范相 一致,根据平截面假定和型钢混凝土共同变形假定,以 型钢混凝土带裂工作阶段为计算基础,根据力平衡原 理和应力叠加原理,推导出基于容许应力计算法下型 钢混凝土构件强度计算方法 J。 3 结论 杭州东站采用桥建合一结构体系,承轨层采用型 钢混凝土梁、钢管混凝土柱的纵横梁框架体系,提升了 站房的整体性,增强了景观效果及使用功能。 (1)杭州东站承轨层采用桥建合一框架体系,受 力合理。纵横梁、立柱、节点等构造设计传力明确,施 工便捷,各构件受力均满足相关规范要求,设计经验可 供今后类似工程参考借鉴。 (2)对类似复杂桥建合一结构,应建立列车一车 站结构整体模型,并进行列车一车站耦合振动分析。 (3)桥建合一结构受力复杂且目前尚无专门规 范,在设计中应同时满足铁路桥梁和建筑相关规范。 参考文献: [1]郑健.中国高速铁路桥梁[M].北京:高等教育出版社, 2008. 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