烏魯木齊地鐵地下三層中庭式分叉高柱車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

宋 杰

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 200070， 上海//高級工程師)

中庭式車站作為地上建筑的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念,引入地鐵領(lǐng)域后，在顯著提升地下空間的建筑通透性、改善乘客心理舒適度的同時(shí)，也帶來了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一系列難題。目前，北京、上海、深圳、南京等城市已建成少量中庭式車站，國內(nèi)學(xué)者對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也做了一定的研究。文獻(xiàn)[1-2]分別介紹了上海、南京第一座中庭式車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和難點(diǎn);文獻(xiàn)[3]對中庭式車站提出了3種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并做了對比分析；文獻(xiàn)[4]介紹了頂、中板均打開的隱柱式中庭地下車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；文獻(xiàn)[5]以北京地鐵6號線新華大街站為工程背景，對大跨度Y形柱地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)做了深入研究。

綜上案例調(diào)研及資料搜集，目前國內(nèi)中庭式車站基本以地下兩層、標(biāo)準(zhǔn)雙柱三跨島式車站為主，中庭開孔設(shè)置在地下一層中板中跨，兩側(cè)邊跨仍保留中板板帶。北京地鐵6號線新華大街站則采用了中庭兩側(cè)僅保留部分懸臂板帶、中柱采用Y形鋼管混凝土高柱的設(shè)計(jì)。烏魯木齊(以下簡稱“烏市”)地鐵1、5號線國際機(jī)場站為地下三層平行換乘車站，其采用了地下一層設(shè)置中庭、鋼筋混凝土分叉高柱等新穎設(shè)計(jì)，系國內(nèi)首例。現(xiàn)簡要介紹其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、計(jì)算對比及抗震分析等。

1 工程概況

烏市地鐵國際機(jī)場站(以下簡稱國際機(jī)場站)位于機(jī)場T2航站樓南側(cè)地面停車場下方，系地鐵1號線工程的終點(diǎn)站，以及與遠(yuǎn)期5號線(中間站)的換乘站，同時(shí)又是與機(jī)場航站樓的接駁換乘站。車站站型為地下三層、一島兩側(cè)平行換乘站。車站主體縱向外包長度179.1 m，寬度41.7 m，底板埋深約23.5 m。

國際機(jī)場站定位為烏市機(jī)場門戶站和區(qū)域交通樞紐站，因此建筑設(shè)計(jì)力求開敞、大氣，并充分體現(xiàn)新疆特有的人文與地理文化。經(jīng)多方案研究分析，最終采用了地下一層設(shè)備層、地下二層站廳層、地下三層站臺層的非常規(guī)建筑布置，并在車站地下一層中部開孔形成中庭的方案。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

國際機(jī)場站地處烏市北部片區(qū)，地勢相對平坦，巨厚的無水卵石地層是其顯著特點(diǎn)。場地地表廣泛分布雜填土，層厚0.5～4 m；其下即為卵石層，鉆孔深度50 m以上未見底。卵石層呈深灰色，成份以砂巖、灰?guī)r為主，渾圓狀，磨圓度較好。其粒徑組成中,2～20 mm粒徑約占20%，20～60 mm粒徑約占45%，大于60 mm粒徑約占15%；余為礫砂與粉黏粒充填，局部含漂石，最大粒徑大于110 mm。其中，中密卵石埋深在8 m以上，呈中密狀，巖土施工工程分級為Ⅲ級硬土；密實(shí)卵石埋深在8 m以下，呈密實(shí)狀，巖土施工工程分級為Ⅳ級軟石。土層物理力學(xué)特性指標(biāo)見表1。

表1 土層物理力學(xué)特性指標(biāo)

烏市系典型的貧水地區(qū)，場區(qū)卵石層滲透系數(shù)達(dá)40～45 m/d，地表及地下水基本均自然滲流到地層深部，勘察期間勘探深度50 m內(nèi)未見地下水。

3 車站標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國際機(jī)場站主體結(jié)構(gòu)縱向長度179.1 m，中庭縱向長度51 m。主體結(jié)構(gòu)按照標(biāo)準(zhǔn)段和中庭段兩種不同的斷面型式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)型式為地下三層、三柱四跨鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，頂板覆土厚度2.4 m，底板埋深23.4 m。公共區(qū)縱向柱距9 m，橫向柱距分別為11.05 m和9.1 m。場區(qū)地層主要為無水卵石層，不考慮水壓力，靜止側(cè)壓力系數(shù)僅0.26～0.30，因此本站雖為地下三層站，但側(cè)墻及底板均較其他地區(qū)類似車站做減薄設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面如圖1所示。

單位：mm

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面圖

3.2 標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面靜力荷載計(jì)算

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，地鐵車站主要板墻構(gòu)件尺寸及配筋一般由裂縫控制，荷載控制組合為準(zhǔn)永久組合并計(jì)其長期作用影響。計(jì)算時(shí)側(cè)墻僅考慮土壓力，底板僅考慮地基反力，不考慮水浮力。主要內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

a) 彎矩圖b) 剪力圖

c) 軸力圖d) 位移圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面內(nèi)力圖

4 車站中庭段橫斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 地下一層中庭平面設(shè)計(jì)

中庭設(shè)置在地下一層設(shè)備層中部偏右的位置，即位于地下二層站廳層上方，形成頂部開敞空間。橫向中間兩跨為中庭開孔(長51 m、寬17.4 m)，中庭內(nèi)柱子為分叉高柱,兩個邊跨各保留11.5 m寬的板帶。中庭平面布置如圖3所示。

4.2 中庭段結(jié)構(gòu)整體方案比選

目前,國內(nèi)中庭車站多為標(biāo)準(zhǔn)雙柱三跨車站，寬度約20 m，開設(shè)中庭后由于兩個邊跨板帶寬度較窄，故抗彎剛度較弱，抵抗側(cè)向變形能力不足。在向水、土壓力作用下，結(jié)構(gòu)整體向內(nèi)壓縮變形，由此引起側(cè)墻在板角點(diǎn)處產(chǎn)生的負(fù)彎矩、跨中正彎矩及剪力等大幅增大，同時(shí)中庭邊緣處柱子水平位移、彎矩及剪力亦有一定增大，容易造成柱子承載能力不足或失穩(wěn)破壞，需要采取結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。中庭段可供選擇的結(jié)構(gòu)整體方案有：中板加厚直接抵抗水平力、側(cè)墻外擴(kuò)設(shè)置豎向肋柱、中庭兩側(cè)中板與側(cè)墻分離等方案。

圖3 中庭布置平面圖

國際機(jī)場站是一島兩側(cè)平行換乘車站，站型為三柱四跨，結(jié)構(gòu)寬度達(dá)41.7 m。中部兩跨開設(shè)中庭，兩個邊跨各保留寬度為11.5 m的板帶，與中庭縱向開洞長度46 m(考慮孔邊設(shè)置加腋后的折算長度)相比，側(cè)邊板帶高跨比約1∶4，滿足常規(guī)水平框架梁的高跨比要求，抗彎剛度相對較大，且側(cè)向無水壓力荷載，故采取中庭側(cè)邊板帶加厚直接抵抗水平力的整體方案。

4.3 中庭段橫斷面設(shè)計(jì)

中庭段的覆土厚度、底板埋深基本同標(biāo)準(zhǔn)段。地下一層中板中間兩跨為中庭開孔，板厚加厚至600 mm。中庭內(nèi)一排柱子高度達(dá)12.3 m，采用鋼筋混凝土柱，上部設(shè)置分叉小柱(高度4.7 m)減小長細(xì)比，以提高柱子承載能力和穩(wěn)定性。分叉中柱截面尺寸為800 mm×1 400 mm，兩側(cè)分叉小柱截面尺寸為600 mm×600 mm，柱頂增設(shè)頂縱梁(800 mm×1 300 mm)。中柱考慮分叉小柱的橫向支座約束作用后，長細(xì)比約12左右，屬合理范圍。兩排邊柱為700 mm×1 500 mm。其余均基本同標(biāo)準(zhǔn)段。中庭段橫斷面如圖4所示。

如圖5所示，采用設(shè)置中庭、中柱分叉高柱等特色結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，站廳層結(jié)構(gòu)凈高達(dá)12.3 m，公共區(qū)開敞通透，裝修設(shè)計(jì)結(jié)合分叉高柱采用天山雪蓮造型，極富藝術(shù)性，充分體現(xiàn)了國際機(jī)場站作為烏市機(jī)場門戶站所應(yīng)具備的開敞大氣和地域文化特色。

4.4 中庭段橫斷面靜力荷載計(jì)算

國際機(jī)場站中庭段側(cè)邊板帶由于水平抗彎剛度較大，結(jié)構(gòu)整體仍基本呈單向板受力體系，故仍以橫斷面計(jì)算分析受力，但需考慮側(cè)邊板帶作為水平框架梁約束變形的剛度貢獻(xiàn)，計(jì)算中以等效水平彈簧模擬，施加在中庭側(cè)邊板帶與邊柱的連接點(diǎn)處。實(shí)際設(shè)計(jì)中用局部三維有限元建模內(nèi)力計(jì)算做校核。主要內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

單位：mm

圖4 中庭段橫斷面圖

a) 中庭結(jié)構(gòu)實(shí)景圖

b) 中庭裝修效果圖

4.5 與標(biāo)準(zhǔn)橫斷面計(jì)算結(jié)果對比分析

4.5.1 中庭引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移變化

由中庭段和標(biāo)準(zhǔn)段的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果比較可知：

(1) 中庭所在地下一層中板發(fā)生向內(nèi)水平位移增大。其中：中庭與側(cè)墻節(jié)點(diǎn)處由0.4 mm增大到1.7 mm，中庭與邊柱節(jié)點(diǎn)處由0.1 mm增大到1.5 mm，增幅相對較大，但水平位移絕對值屬合理范圍。

(2) 水平位移增大引起側(cè)墻由兩跨連續(xù)墻受力體系向單跨體系轉(zhuǎn)變的趨勢，并相應(yīng)引起頂板—地下二層板范圍結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新調(diào)整。其中：地下一層側(cè)墻墻頂、地下二層側(cè)墻墻底兩個節(jié)點(diǎn)處彎矩、剪力增大(最大增幅約20.4%)；地下一層側(cè)墻墻底節(jié)點(diǎn)處彎矩由約為零變?yōu)檩^大正彎矩(255 kN·m)；地下二層墻頂節(jié)點(diǎn)處的負(fù)彎矩、剪力減少(最大減幅約20.2%)。

a) 彎矩圖b) 剪力圖

c) 軸力圖d) 位移圖

圖6 中庭段橫斷面內(nèi)力圖

(3) 中庭對底板內(nèi)力影響較小。

(4) 邊柱處標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面彎矩、剪力幾乎為零，中庭段橫斷面出現(xiàn)彎矩78 kN·m/m和剪力20 kN/m。

4.5.2 分叉高柱引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移變化

(1) 中柱、邊柱豎向位移均略微增大，分叉中柱軸力增大約3.6%，邊柱軸力減少約9.4%。

(2) 分叉中柱顯著改善了頂板兩個中跨的受力。其中：頂板中跨正彎矩幾乎減為零；中柱頂負(fù)彎矩、剪力大幅減小；邊柱頂負(fù)彎矩、剪力減小(最大減幅約15.6%)。

(3) 底板中柱底負(fù)彎矩、剪力增大(最大增幅約38.9%)；邊柱底負(fù)彎矩、剪力增大(最大增幅約12.8%)；底板中跨正彎矩減小(最大減幅約3.1%)。

經(jīng)計(jì)算，中庭斷面板、墻各截面抗剪均滿足要求，不必額外增大截面，其彎矩增幅均可通過調(diào)整配筋解決。宜適當(dāng)增大柱截面以承載邊柱處產(chǎn)生的附加彎矩和剪力。由此可見，國際機(jī)場站由于中庭側(cè)邊板帶水平框架梁作用較明顯，設(shè)置中庭雖引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移發(fā)生了一定變化，但幅度基本在結(jié)構(gòu)承載能力范圍內(nèi)。因此，中庭斷面采取中板側(cè)邊板帶加厚直接抵抗水平力的整體方案是合理可行的。

對其他車站，如中庭側(cè)邊板帶寬度不足、水平框架梁作用較弱時(shí)，則應(yīng)充分重視上述變化，尤其是邊柱的承載能力驗(yàn)算，應(yīng)結(jié)合計(jì)算采取其他類型整體方案或結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。

5 車站三維抗震分析

烏市抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，地震動峰值加速度為0.20g，反應(yīng)譜特征周期0.40 s。車站主體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，抗震等級為二級?？拐鹪O(shè)防目標(biāo)為：①結(jié)構(gòu)在遭受相當(dāng)于本工程抗震設(shè)防烈度的地震(E2地震動作用)影響時(shí)，不破壞或輕微破壞，應(yīng)能夠保持其正常使用功能，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，不應(yīng)因結(jié)構(gòu)的變形導(dǎo)致軌道的過大變形而影響行車安全；②結(jié)構(gòu)在遭受高于本工程抗震設(shè)防烈度的罕遇地震(高于設(shè)防烈度1度，E3地震動作用)影響時(shí)，地下結(jié)構(gòu)主要支撐體系不發(fā)生嚴(yán)重破壞，經(jīng)修補(bǔ)，短期內(nèi)應(yīng)能恢復(fù)其正常功能，結(jié)構(gòu)局部進(jìn)入彈塑性工作階段。

考慮到烏市抗震設(shè)防烈度高，且國際機(jī)場站為地下三層帶中庭車站，設(shè)計(jì)采用時(shí)程分析法對本站進(jìn)行了三維建?？拐鸱治?，分析軟件為MIDAS-GTS。計(jì)算模型的側(cè)面人工邊界距地下結(jié)構(gòu)的距離不小于3倍地下結(jié)構(gòu)水平有限寬度，底面人工邊界宜取至設(shè)計(jì)地震作用基準(zhǔn)面且距結(jié)構(gòu)的距離不小于3倍地下結(jié)構(gòu)豎向有效高度。車站三維模型如圖7所示。分析中，模型結(jié)構(gòu)的土體采用實(shí)體單元，墻、板采用板單元，梁、柱采用梁單元。巖土的本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型。邊界采用粘彈性人工邊界進(jìn)行模擬。根據(jù)地震安評報(bào)告中提供的不同重現(xiàn)期地震動時(shí)程樣本，以時(shí)程荷載的方式施加地震作用。

a) 地層-車站整體模型

b) 車站主體模型

圖8、9分別為E2地震動作用下地下一層板彎矩云圖和E3地震動作用下車站位移云圖。由圖8～9可知：

(1) 在設(shè)防地震作用下，中庭開洞兩側(cè)邊板帶、邊柱與地下一層中板交點(diǎn)、分叉中柱柱頂?shù)忍幊霈F(xiàn)一定應(yīng)變突變，表明中庭開洞后這些部位成為本站抗震不利薄弱環(huán)節(jié)，細(xì)部設(shè)計(jì)應(yīng)采取相應(yīng)加強(qiáng)措施。同時(shí)，結(jié)構(gòu)整體仍處于彈性工作階段，經(jīng)驗(yàn)算地震工況對構(gòu)件截面尺寸和配筋不作控制，柱子軸壓比均不超過0.75的限值，抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施。

(2) 在罕遇地震作用下，車站層間位移角均未超過1/250的限值，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)局部處于彈塑性工作階段，但損壞情況處于可修的范圍之內(nèi)。

圖8 地下一層板彎矩云圖(E2地震動作用下)

圖9 車站位移云圖(E3地震動作用下)

6 中庭式分叉高柱結(jié)構(gòu)加強(qiáng)細(xì)部設(shè)計(jì)

6.1 中庭

由前述分析可知，需對中庭處結(jié)構(gòu)采取剛度及構(gòu)造加強(qiáng)措施，盡量減小中庭處結(jié)構(gòu)變形，控制內(nèi)力增幅，以保證結(jié)構(gòu)安全。國際機(jī)場站采取的加強(qiáng)措施主要有：①地下一層板(中庭開孔板)厚度由標(biāo)準(zhǔn)段的500 mm加大為600 mm；②中庭開孔4個角點(diǎn)設(shè)置5 m×5 m加腋，以減小中庭開孔尺寸，改善角點(diǎn)受力;③中庭周邊設(shè)置水平加強(qiáng)圈梁體系(寬3 000 mm×高700 mm)，同時(shí)橫向圈梁向兩側(cè)延伸到側(cè)墻以起到一定的支座作用；④側(cè)墻與地下一層板加腋加大到500 mm×1 000 mm，并設(shè)置加強(qiáng)水平框架梁(寬1 900 mm×高900 mm)；⑤中庭側(cè)邊柱截面加大以提高抗側(cè)力能力，由標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段的地下一二層700 mm×1 200 mm、地下三層700 mm×1 400 mm，加大至車站全長700 mm×1 500 mm，地震荷載工況下軸壓比約0.66；⑥結(jié)合計(jì)算采取板、墻配筋加強(qiáng),邊柱主筋加強(qiáng),箍筋全長加密等措施。中庭結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)平面如圖10所示。

圖10 中庭結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)平面詳圖

6.2 分叉高柱

分叉高柱節(jié)點(diǎn)詳圖如圖11所示。由圖11可知，分叉高柱采取的措施為：①適當(dāng)加大分叉中柱截面以提高軸壓比裕量，標(biāo)準(zhǔn)段地下一二層、地下三層中柱截面分別由700 mm×1 200 mm、700 mm×1 400 mm加大至車站全長800 mm×1 400 mm，地震荷載工況下軸壓比約0.62；②兩側(cè)分叉小柱截面采用600 mm×600 mm，分叉小柱與中柱、頂板角點(diǎn)處均設(shè)置加腋及構(gòu)造加強(qiáng)鋼筋以改善節(jié)點(diǎn)受力性能；③結(jié)合計(jì)算采取柱主筋加強(qiáng)以及箍筋全長加密等配筋加強(qiáng)措施。

圖11 分叉高柱節(jié)點(diǎn)詳圖

7 結(jié)論

國際機(jī)場站作為國內(nèi)首例設(shè)置中庭、鋼筋混凝土分叉高柱的地下三層平行換乘車站，其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為建筑采用公共區(qū)開敞大空間及藝術(shù)化裝修創(chuàng)造了條件，可為后續(xù)類似項(xiàng)目提供借鑒。

(1) 中庭式車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)為控制中庭，尤其是邊柱處的結(jié)構(gòu)側(cè)向位移?？筛鶕?jù)車站的具體結(jié)構(gòu)型式，合理選擇中板加厚直接抵抗水平力、側(cè)墻外擴(kuò)設(shè)置豎向肋柱、中庭兩側(cè)中板與側(cè)墻分離等整體方案。

(2) 經(jīng)橫斷面靜力荷載計(jì)算及三維有限元抗震分析可知，國際機(jī)場站由地下一層中板中庭開洞引起的結(jié)構(gòu)受力及抗震性能薄弱部位主要為：中庭兩側(cè)邊板帶、邊柱與地下一層中板交點(diǎn)以及分叉高柱柱頂?shù)忍帯５卣鸷奢d工況基本不控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸及配筋，荷載控制組合為準(zhǔn)永久組合(并計(jì)及長期作用影響)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是針對上述薄弱部位做結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)，以及采取必要的抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施。

(3) 針對與本站類似的大寬度、多跨式開中庭車站，可優(yōu)先采用中庭側(cè)邊板帶加厚直接抵抗水平荷載的方案，但應(yīng)核算側(cè)邊板帶作為水平框架梁抵抗水平荷載的能力，控制其高跨比在合理范圍內(nèi)。細(xì)部設(shè)計(jì)可采取中庭四角設(shè)加腋、中庭孔邊設(shè)置水平封閉圈梁、中庭側(cè)邊柱加大截面控制軸壓比以及結(jié)構(gòu)配筋加強(qiáng)等加強(qiáng)措施。

(4)位于中庭內(nèi)的柱子由于高度較大，需要控制其軸壓比和長細(xì)比，可采取上部設(shè)置分叉柱、柱截面適當(dāng)加大以及結(jié)構(gòu)配筋加強(qiáng)等加強(qiáng)措施。