與橋梁同期同位合建的地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計與受力分析

摘 要：以上海某地鐵車站與規(guī)劃道路橋梁同期同位合建為例，探討與橋梁合建的車站結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，對橋梁段地鐵車站在不同工況下的抗浮進行了驗算，提出了車站抗浮不但要考慮地下墻摩阻力，還要另外設(shè)置抗拔樁，然后采用空間計算模型對橋梁段車站結(jié)構(gòu)進行有限元計算，結(jié)果表明車站頂板、底板受力比較復(fù)雜，承受雙向彎矩，需按雙向板進行配筋，橋梁范圍內(nèi)的框架柱軸力較大，橋墩下的橫梁彎矩較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計時均需采用合理的處理措施，可以為相似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；橋梁；合建結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；受力分析

引言

城市軌道交通是城市重要基礎(chǔ)設(shè)施和重大民生工程，對于提升城市公共交通服務(wù)能力、引導(dǎo)優(yōu)化城市空間布局、實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展以及穩(wěn)增長、惠民生意義重大。近年來，我國城市軌道交通投資增長迅速，建設(shè)速度持續(xù)加快，建設(shè)規(guī)模持續(xù)增長。由于交通線路受城市既有周邊建筑環(huán)境的影響，許多新建地鐵工程難免與周邊建筑物、市政工程在平面上、立面上發(fā)生沖突。這就需要軌道交通與城鎮(zhèn)空間充分融合，盡量實現(xiàn)軌道交通規(guī)劃與城市總體規(guī)劃、土地規(guī)劃的同步編制，采用“多規(guī)合一”的辦法來破解不同規(guī)劃間的沖突問題，讓軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)效應(yīng)能夠與城市發(fā)展服務(wù)需求緊密結(jié)合到一起。為了更好地利用城市空間，提供工程的可靠性，降低工程造價，地鐵工程與周邊建筑合建的案例越來越多，如地鐵與地上、地下商業(yè)開發(fā)的合建、地鐵與火車站的合建、地鐵與高架橋梁的合建[1]等等。在以往的工程中，合建多是功能合建，結(jié)構(gòu)體系各自獨立，結(jié)構(gòu)受力分析模型相對比較簡單。文章以上海市軌道交通13號線二期工程某地鐵車站與規(guī)劃道路橋梁同期同位合建為例，探討與橋梁合建的車站結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并采用空間有限元模型，分析與橋梁同期同位合建的地鐵車站受力情況，所得計算結(jié)果為地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計提供數(shù)值基礎(chǔ)和分析依據(jù)。

1 工程概況

本站位于交叉路口下，為地下二層島式站臺車站，預(yù)留其他線路換乘施工條件，站后設(shè)有雙停車折返線，車站按雙柱三跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計。車站主體結(jié)構(gòu)總長491.0m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.7m，頂板覆土約3.0m。車站站后停車線下穿寬度為30m的橫沔港河道，河道上現(xiàn)存寬度為7.0m的現(xiàn)狀橋梁，車站南側(cè)為幼兒園和商鋪，北側(cè)為市民中心廣場和油庫，車站與河道總平面圖如圖1所示。

車站實施期間需對橫沔港河進行斷流，在車站兩側(cè)約30m處的河道范圍設(shè)置圍堰，圍堰與車站范圍進行粘土回填，并壓實處理，同時作為施工便道及施工場地。車站采用明挖法施工。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察地質(zhì)報告[2]，本站擬建場地土層從上至下主要為：①1層雜填土；①2層浜底淤泥，僅分布于明浜之中；②層灰黃色粉質(zhì)粘土， 含氧化鐵銹斑，夾薄層粉性土，干強度、韌性中等，在暗浜附近變薄或缺失；③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，含云母、有機質(zhì)，夾薄層粉性土，局部粉性較重，干強度、韌性中等；④層灰色淤泥質(zhì)粘土，含有機質(zhì)，偶夾薄層粉性土，干強度、韌性高；⑤1灰色粘土，含有機質(zhì)，偶夾薄層粉性土，干強度、韌性高；⑤3-1灰色粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土，云母、有機質(zhì)，夾粘質(zhì)粉土，干強度、韌性中等～低；⑤3t灰色粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土，含云母、有機質(zhì)，夾粘質(zhì)粉土，干強度、韌性中等～低；⑤4灰綠色粉質(zhì)粘土，含氧化鐵銹斑，局部粉性較重，干強度、韌性中等；⑦1灰綠～灰色粉砂，主要由石英、長石、云母組成，夾薄層粘性土；⑦2灰綠～灰色粉砂，主要由石英、長石、云母組成，夾薄層粘性土。車站標(biāo)準(zhǔn)段底板所在的土層主要為④層灰色淤泥質(zhì)粘土。

站址地下水類型主要為潛水、微承壓水和承壓水。潛水主要賦存于①1雜填土中，穩(wěn)定水位埋深在0.7～1.8m之間。微承壓水主要賦存于⑤3t層粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土層中，穩(wěn)定水位埋深在4.31～4.37m之間。承壓水主要賦存于⑦2灰綠～灰色粉砂中，穩(wěn)定水位埋深在5.03～5.52m之間。

3 與橋梁合建的地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于車站位于道路下方，穿越河道時需與規(guī)劃道路合建，結(jié)合地下車站與橋梁的關(guān)系及結(jié)構(gòu)特點，考慮到安全、經(jīng)濟及工期等影響，經(jīng)過綜合比選，本站推薦采用地鐵車站和橋梁結(jié)構(gòu)同期同位合建的結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)橋梁專業(yè)提資，本橋為三孔斜交混凝土簡支梁橋，跨徑分別為8m、30m、13m，橋梁寬度為24.6m，橋梁下部結(jié)構(gòu)采用墩墻結(jié)構(gòu)。車站結(jié)構(gòu)頂板上需設(shè)置橫梁，作為橋梁墩墻的基礎(chǔ)，車站頂板與橋梁墩墻整體澆筑。車站與橋梁剖面關(guān)系如圖2。

橋梁兩端的橋臺擱置在車站側(cè)墻上，橋墩擱置在車站橫梁上，橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載分別通過橋臺和橋墩傳遞給車站側(cè)墻和橫梁，然后通過側(cè)墻和橫梁下的框架柱傳遞到車站底板。為了保證上部荷載傳力路徑清晰明確，底板設(shè)置與頂橫梁方向一致的底橫梁。車站底板下設(shè)置樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)在車站建成之后、橋梁建成之前主要承受抗拔作用，橋梁建成之后主要承受抗壓作用。

根據(jù)工程所處的地質(zhì)條件，同時借鑒上海同類工程經(jīng)驗，本站基坑圍護采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系，墻體的結(jié)合方式為疊合式構(gòu)造。

4 與橋梁合建的地鐵車站抗浮設(shè)計

地鐵車站埋置于地下，根據(jù)地勘資料，車站箱體位于地下水位以下，車站結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮抗浮措施，抗浮問題處理是否得當(dāng)直接影響著地鐵車站正常使用期的可靠度。在驗算結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性時，對浮力、抗浮力的計算及抗浮安全系數(shù)的取值均需謹(jǐn)慎?？垢×κ请S施工過程及使用階段不斷變化的。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)按最不利情況進行抗浮穩(wěn)定性驗算[3]。

對于式（1），根據(jù)GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》第3.2.4條，當(dāng)永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時，荷載分項系數(shù)取值不應(yīng)大于1.0，這里取1.0。

抗浮安全系數(shù)K=R/S，根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ08-109-2004《城市軌道交通設(shè)計規(guī)范》[4]10.5.1.8條規(guī)定，抗浮安全系數(shù)當(dāng)不考慮側(cè)墻與土體摩阻力時為1.05，考慮摩阻力時為1.1。

與橋梁合建的車站結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性驗算主要包括橋梁建成前和橋梁建成后兩種工況?？垢∮嬎銜r選取24～33軸之間的車站進行整體驗算。

橋梁建成前，該區(qū)域結(jié)構(gòu)頂板上部無任何附加荷載，僅僅依靠車站結(jié)構(gòu)自重及橋臺兩側(cè)外的覆土提供抗浮，經(jīng)驗算，抗浮安全系數(shù)為K=R/S=86571KN/193760KN=0.45<1.05，不滿足抗浮要求，需考慮兩側(cè)地下連續(xù)墻參與車站抗浮。兩側(cè)地下墻提供的抗拔力為71500KN，K=0.82<1.1，仍需考慮其他抗浮措施。擬采用直徑850mm、長度36m的鉆孔樁參與抗拔，經(jīng)計算單樁能提供的抗拔力特征值為1850KN，共需要30根抗拔樁，方可滿足抗浮安全系數(shù)1.1。

橋梁建成后，該區(qū)域結(jié)構(gòu)頂板上部具有橋梁自重和回填土等荷載，樁基礎(chǔ)必須保證具有足夠的承載力，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，樁的數(shù)量應(yīng)以落在地鐵車站結(jié)構(gòu)頂板的橋墩荷載確定，即下部群樁承載力總和與橋墩荷載相當(dāng)。橋梁專業(yè)對橋臺、橋墩傳遞的荷載值提資如表1。

單根鉆孔樁能提供的抗壓特征值為2800KN，橋臺和橋墩長度均為23.6m，根據(jù)計算，需設(shè)置21根樁方可滿足承載要求。

綜上所述，為了滿足不同工況下的承載力要求，與橋梁合建的該區(qū)域車站結(jié)構(gòu)底板需設(shè)置30根樁基礎(chǔ)。

5 與橋梁合建的地鐵車站受力分析

上部橋梁墩臺的集中力使地鐵車站結(jié)構(gòu)沿縱向的受力復(fù)雜化，位于橋梁下部的地鐵車站主體結(jié)構(gòu)不再屬于規(guī)則的細(xì)長結(jié)構(gòu)，單一的橫斷段受力計算分析已經(jīng)不能滿足結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析需求，因此有必要對地鐵車站結(jié)構(gòu)進行整體建模分析[1]。

5.1 計算模型

結(jié)構(gòu)計算模型采用目前我國廣泛采用的荷載-結(jié)構(gòu)模型[6]。

建模采取空間有限單元法，以車站縱向為X軸，車站橫向為Y軸，車站豎向為Z軸，坐標(biāo)軸方向滿足右手準(zhǔn)則。計算模型根據(jù)框架結(jié)構(gòu)尺寸按中心線確定，底板支撐在彈性地基上。位置相同的板、墻、梁、柱節(jié)點視為同一節(jié)點來反映結(jié)構(gòu)的共同作用變形。有限元模型中板、墻結(jié)構(gòu)采用殼單元進行模擬，梁、柱結(jié)構(gòu)采用梁單元進行模擬。樁基礎(chǔ)采取樁體彈簧模型[7]，平均彈簧剛度k=EA/l，式中l(wèi)為樁長。

考慮到車站橋梁段結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)之間的影響，計算模型為橋梁段結(jié)構(gòu)和左右各一跨標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)。有限元邊界條件主要簡化如下：（1）結(jié)構(gòu)底板支撐在彈性地基上；（2）標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)邊界處施加縱向的位移約束。

5.2 計算荷載

在結(jié)構(gòu)的施工期和使用期，主要荷載有：結(jié)構(gòu)自重、覆土壓力、水浮力、水土側(cè)壓力、地面超載和橋梁荷載等。

（1）結(jié)構(gòu)自重SG1K：混凝土重度均取25KN/m3。

（2）覆土壓力SG2K：按計算截面以上全部土柱重量作為垂直荷載。

（3）水浮力S3K：抗浮設(shè)防水位取地表以下0.5m。

（4）水土側(cè)壓力SG4K：粘性土地層的側(cè)向水、土壓力，在施工階段采用水土合算，使用階段采用水土分算。砂性土地層的側(cè)向水、土壓力無論施工階段還是使用階段均采用水土分算。

（5）地面超載SQ1K：地面超載按20KN/m3計算。

（6）橋梁荷載SSQK：橋梁荷載見表1。

5.3 計算工況

橋梁段車站結(jié)構(gòu)從澆筑底板開始，到車站結(jié)構(gòu)施工完成和橋梁施工完成，整個過程結(jié)構(gòu)受力體系、荷載形式等均有較大的變化，限于篇幅，文章僅對車站結(jié)構(gòu)在橋梁建成后正常使用狀態(tài)下的工況進行受力分析。正常使用時的荷載組合為：Sd2=SS1K+SS2K+SS3K+SS4K+SS5K+SSQK。

5.4 計算結(jié)果及分析

文章采用有限元分析軟件Robot Structural Analysis Professional 2009對與橋梁同期同位合建的地鐵車站進行空間三維計算。

5.4.1 車站頂板內(nèi)力計算結(jié)果及分析

由圖3～圖4可以看出，車站頂板在橋梁建成后產(chǎn)生的彎矩較大，頂板豎向最大負(fù)彎矩Mx為1325.5 KN·m，位于頂板與側(cè)墻交接處，頂板縱梁處豎向負(fù)彎矩Mx最大為1312.93 KN·m；豎向最大正彎矩Mx為889.86KN·m，位于頂板跨中。頂板水平向最大負(fù)彎矩My為1230.18KN·m，位于頂板與左側(cè)墻交接處；水平向最大正彎矩My為365.61KN·m，位于頂板跨中。頂板水平向彎矩在橫梁和框架柱附近為負(fù)彎矩，由于結(jié)構(gòu)梁、柱體系的不規(guī)則性，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算結(jié)果也呈現(xiàn)不規(guī)則性，尤其是結(jié)構(gòu)水平向內(nèi)力值，所以頂板配筋時應(yīng)加大水平分布筋，宜按雙向板進行配筋，使之能滿足正負(fù)彎矩需要。

5.4.2 車站底板內(nèi)力計算結(jié)果及分析

由圖5～圖6可以看出，正常使用狀態(tài)下車站底板底板豎向最大負(fù)彎矩Mx為1977.10KN·m，位于底板與側(cè)墻交接處，頂板縱梁處豎向負(fù)彎矩Mx最大為1365.74KN·m；豎向最大正彎矩My為1197.19KN·m，位于底板跨中。底板水平向最大負(fù)彎矩My為1536.83KN·m，位于底板橫梁處；水平向最大正彎矩My為502.96KN·m，位于底板跨中。此區(qū)域底板承受雙向彎矩，應(yīng)按雙向板進行配筋。

5.4.3 框架柱、梁計算結(jié)果及分析

橋梁建成后正常使用狀態(tài)下橋梁墩臺范圍車站框架柱的軸力計算結(jié)果如圖7。

由圖7可以看出，車站框架柱軸力最大為13475.32KN，位于橋梁2號橋墩下。初步設(shè)計時該處框架柱截面尺寸為700mm×1400mm，混凝土強度等級采用C50，經(jīng)計算，此處框架柱在荷載基本組合下的軸壓比為0.88。為了使橋梁段框架柱軸壓比滿足GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》11.4.6條的要求，應(yīng)對框架柱采取優(yōu)化設(shè)計，主要采用了以下措施：

（1）增大框架柱的截面尺寸，在車站28軸～32軸底板和頂板之間的縱梁處增加400mm厚內(nèi)隔墻。

（2）沿柱全高采用井字復(fù)合箍，且箍筋間距不大于100mm、肢距不大于200mm、直徑小于12mm。

車站梁、柱布置體系中，1號橋墩處頂橫梁荷載通過三根框架柱傳遞荷載，2號橋墩處頂橫梁通過兩根框架柱傳遞荷載，所以2號橋墩處的橫梁受力較大，彎矩值如圖8所示。

由圖看出，頂橫梁跨中最大正彎矩為13116.05 KN·m，縱梁支座處最大負(fù)彎矩為8357.57 KN·m，最大正彎矩是最大負(fù)彎矩的1.57倍。由于頂橫梁直接承擔(dān)橋墩荷載，所以內(nèi)力值較大。

6 結(jié)束語

通過與橋梁同期同位合建地鐵車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算分析，可以得到以下幾點結(jié)論：

（1）本工程突破了橋梁車站合建中建筑功能融合但結(jié)構(gòu)受力需各自獨立的禁錮，車站與橋梁融為一體，避免了橋梁基礎(chǔ)穿越車站影響建筑功能，增強了車站的整體穩(wěn)定性，提高了結(jié)構(gòu)的受力性能，對地鐵車站設(shè)計具有一定的借鑒意義。

（2）上部橋梁的橋臺、橋墩與車站頂板上的側(cè)墻、橫梁固結(jié)，將荷載傳遞到車站底板及其下部樁基礎(chǔ)，保證了荷載的傳力途徑及結(jié)構(gòu)整體的受力安全。

（3）底板下樁基礎(chǔ)的設(shè)置要綜合考慮，不但要考慮車站在施工期與使用期各種不利工況下的抗浮要求，而且還要考慮橋梁荷載的大小及荷載的傳遞路徑。

（4）橋梁段車站梁、柱結(jié)構(gòu)體系布置不規(guī)則，受力復(fù)雜，空間效應(yīng)明顯，頂、底板受力比較復(fù)雜，承受雙向彎矩，應(yīng)按雙向板進行配筋。頂橫梁直接承擔(dān)橋墩荷載，內(nèi)力值較大，截面設(shè)計和配筋需滿足結(jié)構(gòu)的受力要求。

（5）橋梁段的車站框架柱軸力計算值較大，設(shè)計時需采用適當(dāng)?shù)奶幚泶胧ǔ５淖龇ㄊ窃龃笾孛婷娣e和沿柱全高采用井字復(fù)合箍，且箍筋間距和肢距滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（6）橋梁段的車站結(jié)構(gòu)設(shè)計需結(jié)合考慮結(jié)構(gòu)在最不利荷載工況下的受力分析，下階段應(yīng)對結(jié)構(gòu)的抗震性能進行計算分析。

參考文獻(xiàn)

[1]趙月.與市政橋梁合建的地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計——以廈門地鐵呂厝站為例[J].隧道建設(shè)，2015，35（5）：439-442.

[2]上海市民防地基勘察院有限公司.上海市軌道交通13號線二期工程（六里～張江）巖土工程勘察（初勘）報告[R].2009.

[3]中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB501570-2013.地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑出版社，2013：95.

[4]上海市建設(shè)管理委員會.DGJ08-109-2004.城市軌道交通設(shè)計規(guī)范[S].上海市建筑建材業(yè)市場管理總站，2003：72.

[5]楊家熙.地鐵明挖車站與高架橋同期同位合建關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2015，16.

[6]張衛(wèi)國，張偉，姜韋華.地下工程結(jié)構(gòu)計算方法概述[J].地下空間，2002，22（3）：197-199.

[7]李蘭勇，何英雷，何培勇，等.地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計中抗拔樁的簡化模型及應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12（14）：3528-3531.

作者簡介：班自愿（1982-），男，河南扶溝人，碩士，工程師，主要從事地下結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究工作。