地鐵明挖車站有關(guān)配筋問題的探討

宋 儀

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津 300013)

0 引言

當(dāng)前，我國的地鐵建設(shè)正在迅速發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，到目前為止，我國已經(jīng)投入運營的地鐵線路長度超過1 000 km，車站數(shù)量達到700座左右，其中絕大多數(shù)車站為明挖車站。我國的地鐵設(shè)計者雖積累了豐富的設(shè)計經(jīng)驗，但是地鐵的某些設(shè)計細節(jié)上還存在著一些問題。由于很多設(shè)計師對結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計的一些基本問題沒有搞清楚，導(dǎo)致部分地鐵車站配筋量過大，導(dǎo)致地鐵的投資增大。如某城市地鐵，其中有18個地鐵車站全部采用明挖結(jié)構(gòu)形式。由于工作需要，將全線的14個車站的含鋼量做了一個總計，見表1。

由表1可以看出:車站的每m3混凝土含鋼量平均為187.8 kg，最大為238 kg，最小為155 kg。最大與最小相差1.5倍。

地鐵明挖車站埋深、跨度、結(jié)構(gòu)尺寸均差別不大，混凝土含鋼量也應(yīng)該差別不大才對。為什么這些車站的含鋼量差別這么大呢?明挖車站含鋼量差別大并非這條線的個別現(xiàn)象，很多地鐵車站，甚至同一家設(shè)計院設(shè)計的同一條線不同車站的含鋼量差別也很大。

表1 某城市明挖車站含鋼量統(tǒng)計表Table 1 Rebar amount of Metro stations constructed by cut and cover method

通過深入研究，發(fā)現(xiàn)文獻 ［1－3］對明挖車站荷載、計算方法、計算模型規(guī)定的比較明確。不同的設(shè)計師對同樣的計算對象算出來的結(jié)構(gòu)內(nèi)力基本相同。得出內(nèi)力后的配筋計算，《地鐵設(shè)計規(guī)范》缺乏對相關(guān)內(nèi)容的規(guī)定。設(shè)計師主要遵循《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》。不同的設(shè)計師在具體設(shè)計時，對有些重要問題的處理方式不同，導(dǎo)致車站的含鋼量差別較大，安全度也不同。

歸納起來，影響車站最后配筋量的影響因素如下:消峰問題、軸力取值問題、腋角問題、梁計算模型問題、分布筋取值問題和人為放大問題。

1 板、墻的配筋計算問題

車站的頂、底板和邊墻直接承受車站外部垂直于板面的水土壓力等荷載，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生彎矩、剪力和軸力。從結(jié)構(gòu)類型上劃分，它們都屬于板。

1.1 消峰問題

消峰的實質(zhì)是計算截面應(yīng)如何選取的問題。以頂板邊支座配筋為例，如圖1所示。車站橫斷面內(nèi)力計算時，頂板的邊緣取在邊墻的中心位置，計算出來的最大彎矩是圖中A點的彎矩。但是對頂板進行配筋計算時，考慮的最危險截面不應(yīng)取邊墻軸心，應(yīng)取邊墻的內(nèi)邊界，對應(yīng)B點彎矩。由于查找B點彎矩不方便，可以采用式(1)對最大彎矩進行折減(俗稱消峰)。

式中:Q為A點位置的剪力;B為邊墻的寬度。

圖1 車站頂板邊支座彎矩示意圖Fig.1 Bending moment of side seat of roof slab of Metro station

以2號車站1號斷面(適用于1－3軸)頂板邊支座的計算為例，Mmax=580 kN·m，Q=491 kN，B=0.7 m，頂板厚度 0.8 m。代入式(1)，得:

M=Mmax－1/3(QB)=465 kN·m。詳細的配筋計算見表2。消峰以后計算彎矩減小約20%。配筋量減小24%。

有些設(shè)計者錯誤地認為消峰是由于板塑性內(nèi)力重分布的原因，在支座最大彎矩減小的同時，將跨中彎矩增大是不對的。地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)采用彈性分析方法，最少在現(xiàn)階段是這樣。

表2 消峰對配筋影響對比表Table 2 Influences of peak-to-average power reduction on rebar

1.2 軸力的取值問題

軸力取值對最終的配筋量也具有顯著的影響。明挖車站的板、墻都是同時承受彎矩和軸力，應(yīng)該按照壓彎構(gòu)件進行配筋計算。仍然以2號車站1號斷面(適用于1－3軸)為例，其頂、底板以及邊墻的內(nèi)力及配筋如表3所示。

表3 軸力對配筋影響對比表Table 3 Influence of axial force on rebar

從表3可以看出，軸力對配筋量的影響非常大，考慮軸力可降低配筋量15%～30%。實際設(shè)計中對軸力的處理不盡相同，有完全不考慮軸力的，有將軸力進行折減后考慮的，有全部考慮軸力的。正因為軸力對減小結(jié)構(gòu)配筋有利，所以，從安全的角度考慮，要對軸力進行分析，不能簡單地采用橫截面整體計算的軸力進行配筋計算。理由如下:

1)各層板的分析。車站頂板的彎矩主要來自于頂板所承受的荷載，荷載大小比較明確，理論計算值與實際數(shù)值相差不大。頂板的軸力主要來自于車站側(cè)墻所承受的側(cè)向水土壓力。根據(jù)工程經(jīng)驗，側(cè)向水土壓力實際值一般較計算值偏小(也有個別情況實際值比計算值大)。因此，車站頂板的配筋(其他各層板也同理)，按照全部軸力值進行計算是不安全的，應(yīng)該對軸力的取值進行適當(dāng)?shù)卣蹨p。

2)側(cè)墻分析。側(cè)墻的受力與頂板不同。側(cè)墻最大彎矩發(fā)生在與頂、底板連接位置，是頂、底板邊支座彎矩傳導(dǎo)過來的，所以側(cè)墻的最大彎矩和軸力都來自于頂、底板所受的荷載。彎矩與軸力來源一致，規(guī)律一致，因此，側(cè)墻的配筋可以按照橫斷面整體計算出彎矩和軸力。

綜上所述，對側(cè)墻進行配筋計算時，可以考慮軸力對結(jié)構(gòu)的有利影響;而對各層板的配筋計算，應(yīng)對軸力的取值進行折減，折減系數(shù)取值應(yīng)該根據(jù)地層和水文條件而定。在土層自穩(wěn)性好、沒有地下水的條件下，甚至可以完全不考慮軸力。

1.3 截面計算高度問題

在明挖車站中，在板墻交接位置往往設(shè)置有腋角，如圖1所示。腋角的存在增大了危險斷面的計算高度，這對于配筋是有利的。但是很多的設(shè)計人員在進行配筋設(shè)計時，不考慮腋角的影響，將其作為安全儲備，這種做法大大增加了工程造價。

以2號車站1號斷面(適用于1－3軸)的頂板邊支座為例，驗算腋角對減小配筋的作用，如圖1所示。腋角的尺寸為300 mm×900 mm，不計軸力的作用，計算結(jié)果見表4。

表4 腋角對配筋的影響對比表Table 4 Influence of haunch on rebar

從表4可以看出，考慮腋角后截面高度增加了37.5%，配筋量減小了10%。對于頂板來講，腋角對配筋量的減小幅度不大，但是腋角對側(cè)墻的影響比較大，考慮腋角后E截面不再成為最危險的截面，危險截面變?yōu)镕截面。

1.4 分布筋與附加筋問題

分布筋的作用是將所承受的荷載分散給受力主筋。從受力的角度講，分布筋是不受力的，構(gòu)造配筋即可。按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［2］的相關(guān)條款，單向板的分布筋不小于受力主筋的15%。若要使設(shè)計經(jīng)濟合理，對分布筋和附加筋也應(yīng)非常重視，不能盲目增大。以西安地鐵某車站的頂板配筋設(shè)計為例，車站頂板厚 0.8 m，混凝土量 2 855.2 m3，鋼筋共計 506.1 t，每m3混凝土含鋼筋177 kg。這個含鋼量并不大，屬于平均水平。將鋼筋分為受力主筋、縱向分布筋、腋角附加筋和豎向鉤筋4部分分別進行統(tǒng)計，見表5?？梢园l(fā)現(xiàn):縱向分布筋占受力主筋的29.1%，也還是有些偏大了。有些車站的腋角附加筋配的很大，也是不合理的。

表5 某車站頂板鋼筋數(shù)量統(tǒng)計表Table 5 Amount of rebar of roof slab of a Metro station

1.5 人為配筋擴大問題

計算出配筋量以后，設(shè)計人員要綜合考慮不同截面的鋼筋型號、間距的統(tǒng)一，在實際配筋時進行一些調(diào)整。實際配筋量與計算配筋量之間往往有一定的差異，這是合理的。

以某站2－2剖面計算為例，這是一個3層單跨明挖車站，取10個關(guān)鍵截面進行配筋計算，總計算配筋面積為73 802 mm2，實際配筋面積為87 423 mm2，擴大了11.8%，這樣的擴大屬于正常。但是若過份地擴大實際配筋，那就不合理了。然而這種事情在很多車站的配筋設(shè)計中經(jīng)常發(fā)生，見表6。

表6 某車站計算鋼筋面積與實際配筋面積對比表Table 6 Comparison and contrast between calculated rebar area and actual rebar area

9個計算截面，計算配筋面積為46 850 mm2，實際配筋面積為74 970 mm2，擴大了60%，這樣的擴大就很不合理了。

2 梁的計算模型問題

明挖車站頂、底板的中縱梁配筋量非常大。圖2是某車站的底梁配筋斷面圖，共配49根φ32的鋼筋，上排鋼筋凈距僅有58 mm。

圖2 矩形梁配筋橫截面圖(單位:mm)Fig.2 Cross-section of rebar distribution of rectanglular beam(mm)

混凝土結(jié)構(gòu)的配筋，并非越多越好。梁配筋過多，對結(jié)構(gòu)抗震不利。鋼筋過密導(dǎo)致澆筑混凝土?xí)r振搗困難，也容易影響到混凝土的質(zhì)量。

主梁的配筋應(yīng)該可以優(yōu)化?，F(xiàn)在幾乎所有的明挖車站的主縱梁，都是按照矩形截面來進行配筋的。其實車站各層板厚度很大，可以與梁協(xié)調(diào)變形，一起承擔(dān)荷載，因此，梁的斷面按照T形截面進行計算會更加合理，如圖3所示。根據(jù)《混凝土設(shè)計規(guī)范》可知:當(dāng)翼緣處于受壓區(qū)時，翼緣對于梁的強度驗算有利，對于裂縫驗算無影響;而當(dāng)翼緣位于受拉區(qū)時，翼緣對裂縫驗算有利，對強度驗算無影響。梁的最終配筋應(yīng)該分別驗算強度和裂縫，按照最大配筋量進行設(shè)計。表7為某站頂縱梁對配筋計算的對比表，由表7可知:T形梁計算不僅對各層板中縱梁有用，對于側(cè)墻上的孔邊腰梁，也可以起到優(yōu)化配筋、降低截面高度的作用。

圖3 T形梁配筋橫截面圖(單位:mm)Fig.3 Cross-section of rebar distribution of T-shaped beam(mm)

表7 某站頂縱梁對配筋計算對比表(裂縫控制)Table 7 Rebar calculations of longitudinal beam of roof slab of a Metro station(crack control)

3 結(jié)論與建議

本文中所述明挖車站板、梁配筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本概念，在房建設(shè)計領(lǐng)域根本不能成為問題。但是在地鐵設(shè)計領(lǐng)域，由于各種原因，一些設(shè)計師在配筋設(shè)計時對這些問題予以忽視，導(dǎo)致設(shè)計偏于保守，投資增加，這也是不同的設(shè)計院、不同的設(shè)計師設(shè)計的車站含筋量差別比較大的原因。建議在進行地鐵設(shè)計時，應(yīng)將這些問題的規(guī)定納入《地鐵設(shè)計技術(shù)要求》，統(tǒng)一明挖車站配筋設(shè)計的設(shè)計原則。如果消峰、軸力、腋角、弱化分布筋、T形梁等建議都得以實施的話，估計在不改變車站結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，一般的地鐵明挖車站主體每m3混凝土含筋量可以降低到150 kg以下。建議在有條件的情況下，對地鐵明挖車站關(guān)鍵部位的鋼筋應(yīng)力進行現(xiàn)場實測，為進一步提高地鐵明挖車站的設(shè)計水平提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

［1］ GB 50157—2003地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［2］ GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］ GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.