捷運高架車站結構設計概要(二)

  劉國光 結構、土木技師

本文接續1122期捷運高架車站 結構設計概要(一)。

土建界面協調

高架車站結構設計所需資料，除前述機電系統参數外，土建工程內部，仍有設計界面需要協調確定之項目，簡述如下：

　　(1) 路線定線：車站軌頂高程、上下行線軌道中心距、平面線型等。

　　(2) 橋梁結構：鄰界墩柱設計權屬、托梁寬度及高程需求、橋梁段逃生步道銜接月台型式、伸縮縫寬度、防落橋長度需求、防落橋裝置需求、鄰接橋梁擴大段需求等。

　　(3) 土木相關：地下管線調查、站區排水系統、永久路型及道路淨高需求等。

　　(4) 建築規劃：建築平立面配置、地面裝修層厚度需求、電梯電扶梯位置、建築造型、設施帶配置、月台寬度及淨高、旅客動線、裝修材料等。

　　(5) 其他機電：空調需求、空間淨高、電梯電扶梯尺寸及開口需求、電梯電扶梯機坑尺寸、各類設備載重(含電梯電扶梯載重)、配管走向等。

材料性質、設計強度及參數

(1) 混凝土

波森比ν= 0.2；原則上，地面以下採用卜特蘭II型水泥、地面以上採用卜特蘭I型水泥，強度上可参考表1。

表1　混凝土材料參數表

註：Ec = 4700

(2) 鋼筋：一般可採用

高拉力鋼筋(60級)(直徑 ≧ 13mm)

ASTM A706 GR. 60級或CNS 560，SD420W；或ASTM A615 GR. 60級或CNS 560，SD420，並符合(a)於現場取樣鋼筋測得之實際降伏應力與規定降伏應力相差，不得高出120 N/mm²上。(b)於現場取樣鋼筋測得實際之極限拉應力與實際降伏應力之比值不小於1.25。 fy ≧420N/mm² 。

中碳鋼筋(40級)(直徑≦10mm)

ASTM A615 GR. 40級或CNS 560，SD280，fy ≧ 280 N/mm² ，需銲接者應符合CNS 560，SD280W之規定。

    銲接鋼線網材料應符合CNS 6919或ASTM A185之規定。

    鋼筋之續接器應符合「土建工程施工規範」之規定。

    鋼筋之銲接應符合AWS D1.4之規定。

(3) 結構鋼材及螺栓

鋼橋墩、鋼帽梁、軌道梁(含橫梁)等承載電聯車載重之主要結構鋼結構材料多符合ASTM A709  GR.50  ( fy ≧ 345 N/mm² )，或 GR. HPS 70W  ( fy ≧ 480 N/mm² )。

月台下方鋼梁、屋頂鋼梁、鋼樓梯、電梯環梁立柱、吊物鋼梁及預埋件等結構之鋼結構材料，可採用ASTM A36 ( fy ≧ 240 N/mm²)，高強度結構鋼材可採用ASTM A572 GR.50( fy ≧ 345 N/mm² )或GR. 60、GR. 65。

鋼管：

一般結構用圓形鋼管CNS4435 STK400(fy ≧ 235 N/mm²) 或STK490 (fy ≧ 315 N/mm²)。

一般結構用矩形鋼管CNS7141 STKR400(fy ≧ 245 N/mm²) 或STKR490 (fy ≧ 325 N/mm²)。

建築結構用矩形鋼管CNS15727 STKN400W(fy ≧ 235 N/mm²) 或STKN400B(fy ≧ 215 N/mm²) 或STKN490B(fy ≧ 295 N/mm²)。

若鋼管以鋼板組焊則可採 ASTM A709 GR.50或ASTM A572 GR. 50或ASTM A36。

強力螺栓(含螺帽、墊圈)多採用ASTM A325 TYPE 3 摩阻型

螺徑介於12~25mm     fy ≧ 634 N/mm²

螺徑大於25mm        fy ≧ 558 N/mm²

錨錠螺栓(含螺帽、墊圈)一般可採用

墩柱錨錠螺栓  CNS 3828 S45C N     fy ≧ 345 N/mm²

其他          ASTM A307           fy ≧ 240 N/mm²

銲條

ASTM A36                          SMAW E70XX

ASTM A572                         SMAW E70XX

剪力釘 ASTM A108                    fy ≧ 250 N/mm²

(4) 預力鋼鉸索

所有預力混凝土之預力鋼鉸線，應符合下列之規定：

鋼線應符合CNS3332 G3073 或 ASTM A421。

鋼鉸線應符合CNS3332 G3073 或ASTM A416低鬆弛(Low Relaxation Strand)15.3mm直徑或較小之鋼鉸線fy ≧ 1710 N/mm²。

鋼棒應符合CNS9272 G3192 或 ASTM A722。

端錨之強度應高於所使用預力鋼鍵之極限拉伸荷重，且不得導致損壞變形。上述所提之極限拉伸荷重，是指CNS或ASTM中所述預力鋼腱之極限拉伸強度，乘以鋼腱斷面積及鋼線、鋼鉸線、或鋼棒之數目。除非使用於外加預力以考慮日後需求之額外預力量，預力鋼腱應裹覆埋置於混凝土中。在使用外加預力時，預力鋼腱處理裹覆埋置於轉向座(deviations saddles)、及端錨塊(anchorage blocks)內，裹覆長度至少應具有0.8m。端錨及預力鋼腱端部配件之保護層厚度，應大於50mm，以達到永久防腐效果。

若採用裹握預力鋼腱，均應予以灌漿黏裹。

載重及載重組合 (1/2)

捷運設施結構設計初期，必須評估該構造可能承受之各種載重，根據規範，高架車站結構設計載重型式可分成數類，各細部載重分類符號及內容如下：

(1)靜載重D

包含結構物自重(D_s)與長期性設備載重(D_f)及回填土重(D_b)。

A.結構材料自重(D_s) 單位重

內牆及建築裝修

樓板上方隔間牆：1.0 kN/m²。

天花板荷重（含設備及裝修）：視需要而定，初步可以1.0 kN/m²估算，後按實核計。

屋頂鋼構架上附加載重：視需要而定。

B.長期性設備載重(D_f)

捷運設施結構體內，長期配置之設備及單位重，可包含如下所列：

電車行車軌道(包含固定用配件) ：初步以2.0 kN/m/軌道線估算，後按實核計：

軌道其他相關電氣設備

第三軌、軌床等：初步以14.5 kN/m /軌道線估算，後按實核計。

電纜（含支撐架）：初步以3.5 kN/m /軌道線估算，後按實核計。

預留電纜槽及蓋板：初步以5.5 kN/m /軌道線估算，後按實核計。

其他：初步以1.5 kN/m /軌道線估算，後按實核計。

電梯載重

初步以60.0kN(分佈力 = 60/16 = 4.0 kN/m)估算，後依據所選用之電梯型式，配合需求按實核計。

電扶梯載重：初步可以下列公式估算：

無中間支撐(爬昇高度H ≦ 5.5m) 之反力

低層支撐R1= (6D+6) kN ；高層支撐R2= (6D+16) kN。

高低層支撐距離D = √3 H +4 +4.3。

  一處中間支撐 (5.5m < 爬昇高度H ≦ 11m) 之反力

低層支撐R1= (2.9D +4.7) Kn ；

中間支撐R2 = (7.2D +4.7) kN；

高層支撐R3 = (2.9D +14.6) kN；

高低層支撐距離D =√3 H +4 +4.3   for  H≦10m

高低層支撐距離D =√3 H +4 +5     for  H =11m

二處中間支撐 (11m < 爬昇高度H ≦ 16m) 之反力

低層支撐R1 = (1.85D +4.2) kN；

中間支撐R2 = 4.75D kN；

中間支撐R3 = (4.75D +4.6) kN；

 高層支撐R4 = (1.85D +19.2) kN

高低層支撐距離D = √3 H +4 +5   for H≦15m

高低層支撐距離D = √3 H +4.4 +6 for H =16m

後依據爬昇高度及所選用之電扶梯型式，配合需求按實核計。

系統機電設備室：依實際附加靜載重計算

回填土重(D_b)

D_b  = γ_t  x Z

土壤單位重γ_t = 20 kN /m³

Z ：頂版上之覆土深度 (m)

(2)活載重L

包含樓版活載重(L₁)與電聯車活重(L₂)。

A.樓版活載重(L₁)

欄杆設計水平作用力為 2.0 kN/m，垂直作用力為 1.5 kN/m，均作用於欄杆頂端。

B.電聯車活載重(L₂)

依據核心機電系統商提供之電聯車載重設計，以車輛軸重為計算基準，列車總長之軸距、軸數及軸重做為評估標準。圖1為台北捷運高運量系統標準電聯車之配置及軸距分布示意圖。

圖1　電聯車之配置及軸距分布示意圖(台北捷運高運量系統標準電聯車) 

1.垂直衝擊力

垂直衝擊力應以電聯車載重之30％計算，並視為作用於車軸之集中載重。

2.車輛側向力及車輪橫壓力

車輛側向力：電聯車載重之 10%，水平作用於較低鋼軌頂緣上方1.1公尺處。側向力可由電聯車載重除以列車長度之單一列車等值均佈活載重乘0.1加載之。

車輪橫壓力：設計速率低於110 km/h之橋梁，不需考慮。

3.縱向力(LF)

LF (煞車力) = 約為電聯車載重的 21% 或由系統商提供。

LF (起動力) = 約為電聯車載重的 16% 或由系統商提供。

縱向力應作用在軌道及支撐結構上，可視為全列車長度下之均佈載重，其作用力位於低軌面頂之水平面上。

對於承載二股道之車站結構，應考量加速縱向力及減速縱向力之組合載重條件。

4.離心力(CF)

高架結構在水平彎道處應考慮水平（徑向）離心力之作用，其作用於低軌面頂上方1.5公尺處。

該離心力值如下式：

CF = LL * V² / (127R)

其中 V＝電聯車於水平彎道處之最大速度 ( km/h)

LL＝標準電聯車載重（不含衝擊載重）

R＝彎道半徑(公尺)

5.電聯車行駛引致之氣壓載重

電聯車行駛時將對車站之邊牆及月台門造成氣壓及吸力，其設計應考量不大於2.5 kN/m²之氣壓載重，該氣壓載重視為額外之活載重。

（下回待續）