單柱地鐵車站典型布局特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)方案分析

宋元平

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

目前地鐵車站普遍采用沿縱向設(shè)置梁柱的地下箱型框架結(jié)構(gòu)體系，從20世紀(jì)60年代最初開始應(yīng)用至今，從早期的雙柱三跨為主到現(xiàn)在的單柱雙跨為主，對(duì)于該結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用積累了大量成熟的經(jīng)驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)跨度方面也有一定突破。單柱車站作為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一，具有結(jié)構(gòu)布置簡潔、站內(nèi)空間利用率高、站內(nèi)視覺明快通透等特點(diǎn)。此外，單柱車站站內(nèi)售票機(jī)、閘機(jī)、票務(wù)室等公用設(shè)施的布置限制較少。同時(shí)，在單柱車站的推廣應(yīng)用過程中也存在一個(gè)較為突出的問題，即單柱車站通常在中柱部位設(shè)置體量較大的中縱梁，縱梁常存在與車站機(jī)電設(shè)備、城市地下綜合管線及構(gòu)筑物沖突的情況，造成縱梁局部被中斷或截面被壓縮，該部位將無法按標(biāo)準(zhǔn)段的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，而需要對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整及特殊設(shè)計(jì)，以確保結(jié)構(gòu)安全。通常針對(duì)上述問題可采取的方案有多種，但如何根據(jù)具體情況選擇合理可行的方案則需要具體問題具體分析。

1 車站縱梁布置的兩種方式及優(yōu)缺點(diǎn)

城市軌道交通地下車站頂板埋深一般在3 m左右(車站埋深對(duì)造價(jià)影響較大，同時(shí)還需滿足后續(xù)地下空間開發(fā)的基本要求)，頂、底板縱梁內(nèi)力較大，縱梁梁高往往達(dá)到2.0 m以上。一般情況下，縱梁有兩種設(shè)置方式，即內(nèi)翻(向車站內(nèi)部一側(cè)凸出結(jié)構(gòu)樓板)和外翻(向車站外部一側(cè)凸出結(jié)構(gòu)樓板)，對(duì)于頂板來說就是上翻和下翻，對(duì)于底板縱梁則相反。頂、底板縱梁內(nèi)翻的優(yōu)點(diǎn)是受力合理，外包防水相對(duì)易于施工和達(dá)到防水效果，也便于對(duì)縱梁進(jìn)行施工；缺點(diǎn)是縱梁阻斷了車站內(nèi)部一定高度橫向空間，不利于設(shè)備安裝和管線敷設(shè)。

而外翻的優(yōu)點(diǎn)則是車站內(nèi)部空間美觀，利于空間劃分和敷設(shè)機(jī)電設(shè)備及管線；缺點(diǎn)是外包防水質(zhì)量不易保證，且受力稍差，需對(duì)縱梁箍筋進(jìn)行加強(qiáng)。更重要的一方面，上翻頂板梁突出頂板部分埋深將比頂板其他部位淺1 m左右，這將阻斷部分城市地下管線穿越頂板上方，不利于后期地下空間的開發(fā)利用。

2 單柱車站電梯井居中布置的影響及三種解決的結(jié)構(gòu)方案

地鐵車站的核心功能體現(xiàn)在公共區(qū)，該區(qū)域是控制車站規(guī)模的最重要區(qū)域之一。以下是一種常用的單柱雙跨標(biāo)準(zhǔn)站公共區(qū)的布置方式(實(shí)質(zhì)上是公共區(qū)上下交通設(shè)施的布置方式)，車站公共區(qū)共布置2部上行自動(dòng)扶梯、1部下行自動(dòng)扶梯、2部寬1.8 m的樓梯和1臺(tái)電梯，可滿足客流進(jìn)出站、無障礙設(shè)計(jì)及必要的疏散要求。出于站廳及站臺(tái)層的交通組織和安全的考慮，其中的垂直電梯和一部樓梯布置于站廳中央，為了控制車站的規(guī)模(站臺(tái)板寬度受到嚴(yán)格控制)，電梯井無法避開結(jié)構(gòu)縱梁(電梯井部位頂板底面不能有結(jié)構(gòu)凸出)，如圖1所示。

圖1 車站公共區(qū)平面布置圖(單位：mm)

因此，對(duì)于電梯井所在跨的結(jié)構(gòu)需進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，備選方案有如下三種：

方案一：電梯井所在跨頂板梁上翻、底板梁下翻，中板梁則在該跨兩端柱位處設(shè)置下翻橫梁，洞口周邊中板荷載傳導(dǎo)至橫梁，如圖2所示。

圖2 頂、底板縱梁在電梯所在跨外翻示意圖(方案一)

方案二：電梯井局部采用雙柱，將電梯井布置于中間一跨。

方案三：底板縱梁下翻；頂板縱梁采用變截面梁，柱位處增設(shè)暗梁；對(duì)車站該部位進(jìn)行整體建模分析，并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整梁板配筋，如圖3所示。

圖3 頂板縱梁在電梯所在跨采用變截面梁示意圖(方案三)

一般情況下，方案一簡單實(shí)用，縱梁外翻所帶來的弊端是可以采取措施予以克服的：在結(jié)構(gòu)受力方面，可以根據(jù)計(jì)算加強(qiáng)縱梁箍筋的配置；在施工方面，也可以加強(qiáng)控制確保施工質(zhì)量和進(jìn)度。因此，一般情況下均選擇該方案解決上述問題。但該方案的最大弊端在于上翻頂板縱梁對(duì)頂板上方空間的侵入及對(duì)后期地下空間開發(fā)的不良影響(比如頂板梁會(huì)阻斷埋深2 m以下市政管線橫穿道路)。方案二對(duì)結(jié)構(gòu)影響最小，但卻對(duì)站廳公共區(qū)的視覺通透性及內(nèi)部空間的美觀效果產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，再加上規(guī)范對(duì)柱邊至站臺(tái)板邊緣凈距有限制要求，在既定站臺(tái)板寬度值內(nèi)該布置方案不一定能滿足。因此，方案二較少被采用。

對(duì)于方案三，在使用功能上避免了方案一、二的缺陷，保持了車站內(nèi)部空間的通透完整，同時(shí)頂板梁不需要上翻，也就不會(huì)對(duì)頂板上方地下空間的使用帶來影響，但相對(duì)來說結(jié)構(gòu)處理是上述三個(gè)方案中最為復(fù)雜的，因此車站結(jié)構(gòu)需要建立三維模型進(jìn)行分析。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，這是可以接受的，因此該方案是非常值得推廣的。下面將結(jié)合位于某座跨主干道十字路口布置的一座車站闡述方案三的具體應(yīng)用。

3 街道十字路口站位布置的特點(diǎn)及方案三的應(yīng)用實(shí)例分析

城市軌道交通為了最大限度地吸引、輸送客流，其線路一般優(yōu)先沿城市主干道敷設(shè)，并優(yōu)先采用跨十字路口方案，這是為了使路口四個(gè)象限的客流不用過到路對(duì)面，直接從布置于本象限的出入口進(jìn)入車站，從而達(dá)到軌道交通最佳的輻射效果。出入口一般對(duì)稱于站廳公共區(qū)布置，因此，站廳公共區(qū)的中央一般就位于路口中央下方，此處也正好是公共區(qū)電梯井的所在位置。車站跨路口布置也存在一定的不利因素，最突出的問題就是施工階段十字路口的交通疏解和地下管線遷改，這兩個(gè)因素是非常關(guān)鍵的，都應(yīng)妥善解決。對(duì)于交通疏解，通常需要在路口范圍設(shè)置跨車站基坑的交通疏解便橋，便橋結(jié)構(gòu)位于車站頂板上方，將會(huì)壓縮頂板上方的地下空間，在該背景下，電梯井布置所帶來的結(jié)構(gòu)問題采用方案三解決將是順理成章的選擇。

某地鐵車站位于市主干道與次干路交叉路口，該地段為城市繁華地段，客流量大，車站跨路口沿主干道方向布置。為滿足交通疏解，須在路口設(shè)置跨基坑的鋪蓋系統(tǒng)，如前所述，鋪蓋勢必位于車站公共區(qū)電梯井上方。本站頂板縱梁截面尺寸為1 300 mm×1 800 mm，電梯井部位頂板底面不能有結(jié)構(gòu)凸出，因此頂板梁無法下翻；而鋪蓋采用加強(qiáng)型裝配式鋼橋桁架梁，鋼橋下緣與頂板之間的凈空有限，因此也不能上翻，于是只能采用上述的方案三。即采用變截面梁，電梯位置梁高漸變收平至頂板底面，留出電梯井安裝所需的空間即可，如圖4所示。

圖4 方案三二維計(jì)算結(jié)果示例圖(單位：kN·m)

電梯井沿車站縱向的外輪廓尺寸為2.4 m，考慮設(shè)備安裝操作所需的凈空尺寸，兩側(cè)各留出300 mm的凈空；同時(shí)縱梁的漸變截面構(gòu)造進(jìn)一步滿足安裝及檢修的空間，另外在該跨柱位處增設(shè)兩道橫向暗梁。為了較為準(zhǔn)確地分析該部位的受力情況，擬對(duì)電梯井部位的車站結(jié)構(gòu)采用SAP2000進(jìn)行三維有限元分析，此外采用SATWE軟件對(duì)該部位梁柱進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

分析過程中主要考慮水土壓力、超載及規(guī)范規(guī)定的其他荷載，采用水土分算模式。其中頂板荷載主要為水土豎向壓力及地面超載(取20 kPa)，頂板覆土約3.03 m，土重度為20 kN/m3，于是：

p0=3.03×20=60.6 kPa

中板荷載包含裝修荷載3 kPa、軌頂風(fēng)道荷載3 kPa、吊頂1 kPa，此外人群荷載4 kPa。

底板荷載：不考慮車輛、站臺(tái)板支承墻、軌道等荷載，底板底面處水頭高度為15.88 m，水壓力：

p1=15.88×10=158.8 kPa

計(jì)算考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)參與受力，土側(cè)壓力作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻荷載主要為水側(cè)壓力。

p2=20.3～158.8 kPa

圖5 方案三三維模型內(nèi)力云圖

圖6 方案三頂板彎矩云圖(單位：kN·m)

圖7 方案三頂板縱梁彎矩SATWE計(jì)算結(jié)果示例圖(單位：kN·m)

分析模型及計(jì)算結(jié)果見圖5、圖6。分析結(jié)果表明，變截面梁的跨中剛度較鄰跨梁減弱了；而柱跨中部頂板內(nèi)力進(jìn)行了重分布，縱向彎矩增大較多，電梯井所在跨縱向彎矩達(dá)到了450 kN·m，橫向彎矩有較小幅度的減小，設(shè)計(jì)中對(duì)車站該部位頂板縱向加強(qiáng)配筋。

變截面梁柱頂支座截面負(fù)彎矩增大幅度較大，跨中彎矩較一般梁跨明顯減小，SATWE軟件計(jì)算結(jié)果支座截面彎矩為M0=11 964 kN·m，SAP2000計(jì)算結(jié)果為M0=8 564.6 kN·m，SATWE軟件對(duì)梁柱的計(jì)算結(jié)果整體上比SAP2000三維有限元分析結(jié)果大，但內(nèi)力分布規(guī)律與上述是一致的，如圖7所示。設(shè)計(jì)中可根據(jù)上述內(nèi)力分布規(guī)律對(duì)頂板及頂板梁配筋進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，特別需要指出的是該部位頂板縱向須加大配筋。根據(jù)后續(xù)該車站運(yùn)營使用的情況，這樣處理是合理可行的。

4 結(jié)語

根據(jù)國內(nèi)城市軌道交通發(fā)展的現(xiàn)狀來看，單柱車站在現(xiàn)今及未來較長一段時(shí)間內(nèi)都是車站結(jié)構(gòu)選型的主流。單柱車站一般跨度可達(dá)到10～15 m，在該跨度范圍內(nèi)，可營造出相當(dāng)美觀通透的站內(nèi)公共空間，這個(gè)跨度也在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可接受的范圍內(nèi)。

(1)一般情況下，當(dāng)車站頂板上方無深埋城市地下管線橫穿馬路(或地下管線可在附近區(qū)段穿越時(shí)，特別是在特定部位預(yù)留專門綜合管廊穿越時(shí))單柱車站站廳中央電梯井所帶來的結(jié)構(gòu)問題可采用方案一進(jìn)行處理。從結(jié)構(gòu)的角度來看，方案一非常簡捷實(shí)用。

(2)出于吸引客流這一主要功能的考慮，地鐵車站跨十字路口布置方案是一種非常優(yōu)越的值得推廣的敷設(shè)方式，在遇到跨十字路口布置的單柱車站時(shí)，上述問題不管是出于功能角度還是結(jié)構(gòu)角度，采用方案三都將是順理成章、水到渠成的，值得推廣。

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