王世敏
摘 要
本文以某城市单排柱车站结构的桩为研究对象，通过建立车站承台和桩刚接模型、承台和桩铰接模型和无承台桩模型进行计算分析对比。研究表明单排柱车站结构的桩不同的计算方式对桩的位移、内力影响较大，设计时应考虑不利状况。
关键词
单排柱车站;桩;受力影响
中图分类号： U239.5;U441 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.069
0 引言
站桥合建的单排柱单轨车站结构主要建在双向车道路中央绿化带内，是单轨车站常用的结构形式。为了结构有足够的安全保证，设计时按照现行的民用建筑结构设计规范和铁路桥涵设计规范进行了性能化设计，对不同构件采用了不同的性能水准。桩、承台、墩柱、盖梁和其余构件在多遇地震作用下处于弹性状态;桩、承台、墩柱、盖梁在设防地震作用下处于弹性状态，其余构件在设防地震作用下处于正截面不屈服、斜截面弹性;桩、承台、墩柱、盖梁在罕遇地震作用下满足正截面不屈服、斜截面弹性，其余构件在罕遇地震作用下允许进入塑性变形状态。性能化设计时发现，本车站结构构件只要满足罕遇地震作用下性能状态就可以满足其余性能。考虑到实际连接受力状况与《建筑地基基础设计规范规范》计算方法不同，本文通过建立以下三种计算模型，车站承台和桩刚接模型、承台和桩铰接模型，并考虑桩土共同作用，通过有限元计算分析得出在罕遇地震作用下的位移、内力;无承台桩模型进行计算分析柱底部在罕遇地震作用下的组合内力，按照规范中的计算公式计算出桩的内力。
1 工程概况
本工程为某城市站桥合建的单排柱单轨车站结构，底部轨道层由6根矩形钢管混凝土墩柱，矩形钢管混凝土梁和钢箱梁组成的盖梁，连接盖梁的钢梁组成;站台层和雨棚采用钢结构。每根墩柱下有6桩独立承台作为上部结构支撑体系。抗震设防烈度为8度;地震基本加速度0.2g;场地类别为Ⅱ类;设计地震分组为第二组;设防类别为乙类;安全等级为一级。
2 建模计算
车站结构三种计算模型上部结构完全一致，采用midas gen建模，进行罕遇地震分析计算。承台和桩刚接模型、承台和桩铰接模型计算时考虑承台和桩周围土体的水平约束，根据《公路桥涵地基基础设计规范》附录P中按m法计算弹性桩水平位移及作用效应，计算出作用于承台四角及桩身的弹簧刚度，将承台四角、桩施加水平面两个方向的弹簧约束，本工程桩底部嵌入中风化花岗岩较深，桩底采用完全刚接约束。提取出桩顶部在X向地震作用下、Y向地震作用下的位移值和最大轴力、最小轴力以及所对应的不同方向的弯矩值、剪力值;无承台桩模型提取出柱底部在罕遇地震作用下的最不利组合内力，按照规范中的计算公式计算出桩的最大轴力、最小轴力以及所对应的不同方向的弯矩值、剪力值。本工程X向代表顺桥方向，Y向代表横桥方向， 压力为正，拉力为负。
3 计算结果及分析对比
3.1 X向地震作用桩顶内力对比
罕遇地震作用下三种模型计算的桩顶部在X向地震设计值如下所示：承台和桩刚接模型在轴力最大时：N为5772kN，Mx为208kN*m，My为1457 kN*m，Vx为421kN，Vy为9kN;在轴力最小时：N为727kN，Mx为34kN*m，My为1282 kN*m，Vx为419kN，Vy为5kN。承台和桩铰接模型在轴力最大时：N为5800kN，Mx为193kN*m，My为193 kN*m，Vx为158kN，Vy为5kN;在轴力最小时：N为775kN，Mx为26kN*m，My为26 kN*m，Vx为157kN，Vy为4kN。无承台桩模型在轴力最大时：N为5576kN，Mx、My均为0，Vx为359kN，Vy为15kN;在轴力最小时：N为-1088kN，Mx、My均为0，Vx为371kN，Vy为18kN。
通过数据可以看出，在X向罕遇地震作用下，承台和桩铰接模型与承台和桩刚接模型相比：轴力最大时，轴力均为压力，相差较小;绕X轴弯矩Mx的数值均较小，相差不到1%;繞Y轴弯矩My的相差较大，铰接模型弯矩值较小，刚接模型弯矩值较大，小于刚接模型弯矩值的15%;X向剪力均较大，铰接模型是刚接模型的37.5%左右;Y向剪力均很小，数值基本相当。轴力最小时，轴力均为压力，铰接模型轴力大于刚接模型轴力，相差6%;绕X轴弯矩Mx的数值均较小，相差不大;绕Y轴弯矩My的相差较大，铰接模型弯矩值较小，刚接模型弯矩值较大，铰接模型弯矩值是刚接模型弯矩值的2%;X向剪力均较大，铰接模型是刚接模型的37.4%;Y向剪力均很小，数值相差不大。无承台桩模型与承台和桩刚接模型相比：轴力最大时，轴力均为压力，无承台桩模型轴力小于刚接模型轴力，相差3.4%;无承台桩模型绕X轴弯矩Mx和绕Y轴弯矩My都为0，不做对比;X向剪力均较大，无承台桩模型剪力小于刚接模型剪力，相差15%;Y向剪力均很小，数值相差不大。轴力最小时，无承台桩模型轴力为拉力，刚接模型轴力为压力，相差较大;无承台桩模型绕X轴弯矩Mx和绕Y轴弯矩My都为0，不做对比;X向剪力均较大，无承台桩模型剪力小于刚接模型剪力，相差12%;Y向剪力均很小，数值相差不大。
3.2 Y向地震作用桩顶内力对比
罕遇地震作用下三种模型计算的Y向地震设计值如下所示：承台和桩刚接模型在轴力最大时：N为7047kN，Mx为1871kN*m，My为236kN*m，Vx为2kN，Vy为552kN;在轴力最小时：N为-640kN，Mx为1636kN*m，My为10kN*m，Vx为3kN，Vy为553kN。承台和桩铰接模型在轴力最大时：N为6808kN，Mx为227kN*m，My为227kN*m，Vx为1kN，Vy为258kN;在轴力最小时：N为-374kN，Mx、My均为0，Vx为1kN，Vy为258kN。无承台桩模型在轴力最大时：N为5628kN，Mx、My均为0，Vx为5kN，Vy为325kN;在轴力最小时：N为-1301kN，Mx、My均为0，Vx为5kN，Vy为325kN。
通过数据可以看出，在Y向罕遇地震作用下，承台和桩铰接模型与承台和桩刚接模型相比：轴力最大时，轴力均为压力，相差较小，铰接模型轴力比刚接模型轴力小3.4%;绕X轴弯矩Mx的相差较大，铰接模型弯矩值是刚接模型弯矩值的12%;绕Y轴弯矩My数值均较小，而且基本相等;X向剪力均很小，数值基本相当;Y向剪力均较大，铰接模型不足刚接模型的47%。轴力最小时，轴力均为拉力，相差较大，铰接模型轴力是刚接模型轴力的58%;绕X轴弯矩Mx的数值差距较大，铰接模型弯矩值为0，刚接模型弯矩值1636;绕Y轴弯矩My的差距较小，数值也小;X向剪力均很小，数值相差不大;Y向剪力均较大，铰接模型是刚接模型的47%。无承台桩模型与承台和桩刚接模型相比：轴力最大时，轴力均为压力，无承台桩模型轴力是刚接模型轴力80%;无承台桩模型绕X轴弯矩Mx和绕Y轴弯矩My都为0，不做对比;X向剪力均很小，数值相差不大;Y向剪力均较大，无承台桩模型剪力是刚接模型剪力59%。軸力最小时，无承台桩模型轴力和刚接模型轴力均为拉力，无承台桩模型轴力与刚接模型轴力2倍;无承台桩模型绕X轴弯矩Mx和绕Y轴弯矩My都为0，不做对比;X向剪力均很小，数值相差不大;Y向剪力均较大，无承台桩模型剪力是刚接模型剪力59%。
3.3 承台和桩刚接模型、承台和桩铰接模型桩顶位移与配筋量比较
罕遇地震作用下，刚接模型X向桩顶位移7mm，Y向桩顶位移10mm;铰接模型X向桩顶位移8mm，Y向桩顶位移13mm。这两个模型计算时虽都考虑了桩周土对承台和桩的水平约束，但是在罕遇地震作用下的位移值有差距。可以看出承台和桩刚接模型的位移值均小于承台和桩铰接模型位移值。X向地震作用下，铰接模型位移值大于刚接模型位移值15%;Y向地震作用下，铰接模型位移值大于刚接模型位移值30%。罕遇地震作用下，承台和桩刚接模型计算出桩顶纵筋配筋量为162cm2，箍筋配筋As/S值为2.8，承台和桩铰接模型计算出桩顶纵筋配筋量为142cm2，箍筋配筋As/S值为2.0，刚接模型纵筋配筋量比铰接模型纵筋配筋量大14%，刚接模型箍筋配筋量比铰接模型箍筋配筋量大40%。
4 结论
1）承台和桩铰接模型与承台和桩刚接模型相比：轴力最大时，轴力相差较小;轴力最小时，轴力值均比较小，但差值相对较大;地震作用方向弯矩、剪力均相差较大，非地震方向弯矩、剪力数值均较小，相差也小。
2）无承台桩模型与承台和桩刚接模型相比：轴力最大时，轴力均为压力，X向地震时相差较小，Y向地震时相差较大。轴力最小时，X向地震作用下无承台桩模型轴力为拉力，承台和桩刚接模型轴力为压力，相差较大;Y向地震作用下，轴力均为拉力，拉力值相差较大。地震作用方向剪力相差较大，非地震方向剪力数值均较小，相差也小。
3）承台和桩铰接模型与承台和桩刚接模型地震作用下桩顶位移相比，承台和桩铰接模型桩顶位移较大;承台和桩铰接模型与承台和桩刚接模型地震作用下桩顶配筋相比，刚接模型配筋量较大。因此设计时应按照两种不同模型计算的不利状况进行设计。
参考文献
[1]跨座式单轨交通设计规范.
[2]城市轨道交通结构抗震设计规范.
[3]铁路桥涵设计基本规范.
[4]建筑抗震设计规范（2016年版）.
[5]公路桥涵地基基础设计规范.
