地鐵明挖車站-市政橋梁合建結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)研究

汪 樂， 王 濤， 宋 磊

(中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210014)

0 引言

近年來，隨著中國城市化進(jìn)程的加快，城市人口及機(jī)動車數(shù)量不斷增加，交通擁擠問題日益突出。為解決這一典型“城市病”，大中城市通過加快建設(shè)軌道交通及高架快速路，豐富出行方式，健全城市立體交通體系，有效地改善了交通出行環(huán)境。由于城市內(nèi)空間有限，特別是人口及交通密集區(qū)域，地鐵及市政高架工程會不可避免地發(fā)生場地沖突，在條件受限的情況下，考慮兩者合建是解決問題的一種有效手段[1]。

目前，國內(nèi)已有不少地鐵明挖車站與上部市政橋梁合建的實例。廣州地鐵4、5號線換乘站車陂南站在地鐵頂板設(shè)置橫向橋墩轉(zhuǎn)換梁，連接上部橋梁樁基和下部地鐵車站鋼管柱[2]；上海地鐵14號線張楊路站加強(qiáng)車站梁柱結(jié)構(gòu)，上部橋梁墩柱直接支承在車站頂板縱梁上[3]；廈門地鐵1、2號線換乘站呂厝站頂板與上部橋梁承臺固結(jié)連接，車站橫向設(shè)置型鋼混凝土雙柱，柱下設(shè)置樁基，縱向柱跨與上部橋梁跨度匹配一致[4-5]；合肥地鐵1號線蕪湖南路站、南一環(huán)站及水陽江路站采用一種新型“樁、柱、墩的固結(jié)、浮放轉(zhuǎn)換體”結(jié)構(gòu)，即高架橋橋墩基礎(chǔ)浮放到車站頂板上，保持橋梁墩柱、車站鋼管柱與橋梁樁基豎向同心，在上部橋梁墩臺集中力直接傳遞到地基的同時，可保證車站頂板節(jié)點防水閉合[6]；成都地鐵2號線中醫(yī)學(xué)院站在地鐵頂板處設(shè)置承臺，連接上部橋梁樁基和下部地鐵車站鋼管樁[7]。

上述工程中，地鐵明挖車站與上部橋梁合建時采用了不同的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換形式和加強(qiáng)措施，較好地實現(xiàn)了

結(jié)構(gòu)的合建運營，為類似工程提供了豐富可靠的借鑒。但現(xiàn)有研究主要集中在基于理論基礎(chǔ)的合建結(jié)構(gòu)節(jié)點處理方式上，對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位內(nèi)力及變形的影響分析相對較少。本文依托成都地鐵白佛橋明挖車站與其上部市政橋梁的建設(shè)，采用工程類比、理論分析及數(shù)值計算等方法，重點研究合建結(jié)構(gòu)承載能力、變形控制、抗震性能等核心技術(shù)問題，以期為今后類似工程提供新的設(shè)計思路和經(jīng)驗參考。

1 工程背景

成都地鐵17號線白佛橋站位于永康路和規(guī)劃智遠(yuǎn)大道交叉口，沿永康路東西向敷設(shè)，為地下2層雙柱3跨島式車站，站臺寬度為14 m,頂板覆土約為3.5 m，底板坐落在〈3-8-3〉密實卵石土層中，埋深約為19.2～20.4 m。車站與遠(yuǎn)期33號線(沿規(guī)劃智遠(yuǎn)大道南北向敷設(shè)，為地下1層)在車站東端T形換乘。

沿永康路上方規(guī)劃有草金路快速化改造工程，采用高架橋形式，橋梁墩柱沿17號線車站縱向布置，落在車站頂板上方，與地鐵車站進(jìn)行合建，工程平面位置如圖1所示。由于金川路西側(cè)車站頂板上方有三吏堰河流臨時及永久性改遷箱涵，規(guī)劃智遠(yuǎn)大道西側(cè)車站頂板因環(huán)控要求需局部上抬，區(qū)域內(nèi)不具備高架橋橋墩布設(shè)條件。

2 站-橋合建結(jié)構(gòu)分析及研究

2.1 需解決的重難點問題

確保地鐵明挖車站-市政高架橋合建結(jié)構(gòu)的受力合理和變形協(xié)調(diào)，滿足2種不同結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、變形、抗震以及防水等方面的功能要求，是合建結(jié)構(gòu)設(shè)計時需解決的重難點問題。

2.2 站-橋結(jié)構(gòu)的連接方式

地鐵明挖車站-市政橋梁合建結(jié)構(gòu)的連接轉(zhuǎn)換節(jié)點部位為橋梁墩臺，其與地鐵車站頂板有浮放連接和固結(jié)連接2種連接方式： 浮放連接即地鐵車站頂板與市政橋梁墩臺結(jié)構(gòu)脫開，通過橋梁承臺接觸面?zhèn)鬟f上部荷載；固結(jié)連接即地鐵車站頂板直接作為橋梁承臺與橋墩固結(jié)。根據(jù)相關(guān)研究，站-橋浮放連接能在一定程度上降低車站梁板結(jié)構(gòu)彎矩，優(yōu)化柱軸力分布，且可保證車站頂板節(jié)點全包防水閉合，但站-橋浮放連接時，橋梁承臺無有效約束作用，不利于上部橋梁的位移控制，抗震性能相對較差[2,9-10]?？紤]合建結(jié)構(gòu)的安全及變形控制要求，橋梁墩臺與車站頂板采用固結(jié)連接。

2.3 橋梁墩臺的布設(shè)方案

本工程中的市政高架橋梁為城市快速路，設(shè)計規(guī)格為雙向6車道，橋面寬度為23.5 m，采用1.5 m鋼箱梁結(jié)構(gòu)。橋梁沿永康路路中敷設(shè)，支座下設(shè)置雙墩，平面上位于地鐵車站中跨。在結(jié)構(gòu)橫向上，綜合考慮地鐵車站內(nèi)部空間使用與橋下兩側(cè)道路寬度要求，橋墩軸線盡量靠近車站框架柱軸線，以便有效傳遞豎向荷載，減小對車站結(jié)構(gòu)的影響。在結(jié)構(gòu)縱向上，車站頂板可布設(shè)橋墩的范圍內(nèi)，避開車站端頭井、換乘節(jié)點等結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜區(qū)域；同時，橋梁跨度與車站框架柱以9 m柱跨進(jìn)行匹配，在滿足安全、環(huán)境要求的條件下，車站上方橋梁標(biāo)準(zhǔn)段跨度設(shè)置為27 m。橋墩平面布置如圖2所示。

圖2 橋墩平面布置示意圖(單位： mm)Fig. 2 Plan of layout of bridge piers (unit: mm)

2.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形分析

2.4.1 計算模型

選取橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨與地鐵車站的合建結(jié)構(gòu)，利用通用結(jié)構(gòu)分析設(shè)計程序SAP2000，根據(jù)結(jié)構(gòu)實際尺寸建立地鐵車站三維空間荷載-結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。其中，x向為橋梁及地鐵車站縱向，地鐵車站柱分別位于x=9n(n=0、1、2、3、4、5 m)處，橋墩軸線位于x=9 m和x=36 m處；y向為車站橫向，地鐵車站側(cè)墻中心線位于y=0 m和y=22.5 m處，框架柱位于y=8.1 m和y=14.4 m處，橋墩軸線位于y=9 m和y=13.5 m處；z向為車站高度方向，車站底、中、頂板中心線分別位于z=0 m，z=9.1 m和z=15.2 m處。

圖3 荷載-結(jié)構(gòu)三維計算模型(單位： m)Fig. 3 Three-dimensional load-structure calculation model (unit: m)

車站板、墻結(jié)構(gòu)采用厚殼面單元進(jìn)行模擬，梁、柱結(jié)構(gòu)采用框架線單元進(jìn)行模擬，交界單元之間采用軟件提供的自動邊束縛功能進(jìn)行耦合[11]。車站底板及側(cè)墻上設(shè)置僅受壓彈簧模擬土體作用，根據(jù)地勘報告提供的土體基床系數(shù)，水平向及豎直向彈簧剛度分別設(shè)置為85 MPa/m2和71 MPa/m2。

上部橋梁荷載是影響合建結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制性因素，因此，對其正常使用工況進(jìn)行驗算。其中，橋梁上部豎向軸力N=7 647.1 kN，將其換算成集中分布荷載(p=2 074 kPa)作用在車站頂板上的橋墩范圍內(nèi)，其余荷載(順橋向剪力Vx=203.6 kN，彎矩Mxx=2 206.9 kN·m;橫橋向剪力Vy=574.4 kN，彎矩Myy=2 541.0 kN·m)簡化為集中力作用在橋墩中心節(jié)點處；地鐵車站周邊水土壓力、地面超載、人群、設(shè)備及裝修荷載、列車荷載換算成均布面荷載作用在板墻結(jié)構(gòu)上。

2.4.2 內(nèi)力計算結(jié)果

與車站頂板上方無橋梁荷載作用時相比，車站板、墻及梁柱各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力(準(zhǔn)永久組合)見表1—5?？芍?/p>

1)地鐵車站頂板及底板中跨在橋墩周邊2～3 m，跨中及支座處彎矩、剪力有較大幅度增長；車站頂板及底板邊跨框架柱周邊1～4 m，支座負(fù)彎矩及剪力有較大幅度增長；車站地下1層側(cè)墻頂板支座處負(fù)彎矩有一定幅度增加，而車站中板地下2層側(cè)墻彎矩及剪力變化較小。

2)橋墩軸線所在位置處的頂板及中板縱梁支座負(fù)彎矩有較大幅度減小，相鄰軸線處支座負(fù)彎矩有較大幅度增加；橋墩軸線所在位置處的底板縱梁支座負(fù)彎矩有較大幅度增加，相鄰軸線處影響較小。

3)橋墩軸線位置處的框架柱軸力增加80%，相鄰軸線處的框架柱軸力增加14%；同時，以豎向軸心受力為主的框架柱，柱頂和柱底出現(xiàn)一定大小的彎矩和橫向剪力。

表1 橋梁荷載作用對地鐵車站頂板及頂縱梁內(nèi)力的影響Table 1 Influence of bridge load on internal force of roof and longitudinal beam of metro station

表2 橋梁荷載作用對地鐵車站中板及中縱梁內(nèi)力的影響Table 2 Influence of bridge load on internal force of middle plate and longitudinal beam of metro station

表3 橋梁荷載作用對地鐵車站底板及底縱梁內(nèi)力的影響Table 3 Influence of bridge load on internal force of floor and longitudinal beam of metro station

表4 橋梁荷載作用對地鐵車站側(cè)墻內(nèi)力的影響Table 4 Influence of bridge load on internal force of sidewall of metro station

表5 橋梁荷載作用對地鐵車站框架柱內(nèi)力的影響Table 5 Influence of bridge load on internal force of frame column of metro station

2.4.3 變形計算結(jié)果

圖4 地鐵車站頂板沉降變形云圖(單位： mm)Fig. 4 Settlement nephogram of roof of metro station (unit: mm)

圖5 地鐵車站中板沉降變形云圖(單位： mm)Fig. 5 Settlement nephogram of middle plate of metro station (unit: mm)

另外，考慮在橋墩作用處的車站底板柱下設(shè)置樁基時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力及變形無明顯變化；當(dāng)車站基底地基承載力減小50%時，車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力無明顯變化，各層板沉降增加約10%。

3 關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計解決

3.1 合建結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)合建結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計算結(jié)果，結(jié)合類似工程經(jīng)驗，對橋墩影響范圍內(nèi)的車站頂?shù)装搴蛡?cè)墻的厚度及配筋進(jìn)行增強(qiáng)(如圖6—7所示)，以滿足其承載能力、變形、裂縫控制等要求；增大橋墩軸線下方的地鐵車站框架柱截面，并采用型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)(內(nèi)插十字型工字鋼)，以滿足其承載能力及穩(wěn)定性要求；另外，由于基坑開挖對基底土層造成擾動，導(dǎo)致車站底板地基承載力下降，在框架柱下設(shè)置直徑1 800 mm的樁基以減小結(jié)構(gòu)沉降。

圖6 地鐵車站結(jié)構(gòu)加強(qiáng)示意圖(單位： mm)Fig. 6 Sketch of metro station structure strengthening (unit: mm)

圖7 車站-橋梁合建結(jié)構(gòu)橫剖面圖(單位： mm)Fig. 7 Cross-section of integrated structure of metro station and bridge (unit: mm)

3.2 結(jié)構(gòu)抗震分析

本工程抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為7度，地震動峰值加速度為0.10g(g為重力加速度，9.8 m/s2)，抗震等級為3級。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度1度(即Ⅷ度)的要求加強(qiáng)其抗震措施，對于與上部市政橋梁合建的地鐵車站結(jié)構(gòu)，更有必要對其動力特性進(jìn)行研究。

建立地鐵車站與上部橋梁墩臺的整體三維模型，選取LS-DYNA軟件，采用非線性時程分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計算分析，如圖8所示。模型上邊界取至地表，上部建立橋墩并在墩頂設(shè)置質(zhì)量塊，下邊界取至等效基巖面，橫向邊界設(shè)置無反射邊界，模型底部沿橫向及縱向施加地震動加速度荷載[13]。

圖8 抗震計算分析模型Fig. 8 Analysis model of seismic calculation

基巖輸入波峰值加速度為0.1g，分別采用汶川波、EI-Centro人工波和RG波沿橫向及縱向輸入，計算后由Ls-prepost提取內(nèi)力結(jié)果，與靜力荷載作用下的內(nèi)力疊加后得到橫斷面內(nèi)力極值。計算結(jié)果顯示: 在各地震工況下，車站板、墻、梁等構(gòu)件在支座處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，支座處彎矩有較大增加。經(jīng)核算，各構(gòu)件的承載力強(qiáng)度均滿足設(shè)計要求，車站框架柱的軸壓比為0.52，小于規(guī)范要求的限值(0.75)。

橋墩位置處的車站結(jié)構(gòu)柱關(guān)鍵節(jié)點處的橫向及縱向時程位移曲線如圖9—10所示。可知： 柱頂橫向位移最大，約為16.3 cm，柱底橫向位移最小，約為14.0 cm，相比無橋墩處，最大橫向位移增加約3%；各斷面處的柱縱向位移基本一致，約為16.8 cm。另外，橋墩處車站結(jié)構(gòu)的最大層間位移角最大值為1/327，小于規(guī)范要求的限值(1/250)[14]。

3.3 防水設(shè)計方案

地鐵車站結(jié)構(gòu)采用全包防水，由于橋墩及橋樁分別與車站頂板和底板固結(jié)，導(dǎo)致節(jié)點處的結(jié)構(gòu)防水無法閉合。為保證地鐵車站結(jié)構(gòu)的防水要求和效果，將車站頂板范圍內(nèi)的橋梁承臺納入防水防護(hù)范圍，外包防水層在橋墩地面處做收口管理，同時橋樁與車站底板固結(jié)處按樁頭防水進(jìn)行節(jié)點加強(qiáng)處理[15]。

圖9 橋墩位置處的柱節(jié)點橫向位移時程曲線Fig. 9 Time-history curves of transverse displacement of column node at bridge pier

圖10 橋墩位置處的柱節(jié)點縱向位移時程曲線Fig. 10 Time-history curve of longitudinal displacement of column node at bridge pier

4 結(jié)論與建議

本文通過總結(jié)類似工程經(jīng)驗，基于理論基礎(chǔ)，建立大型三維計算模型，全面分析研究了站-橋合建結(jié)構(gòu)的承載能力、變形控制、抗震性能等核心技術(shù)問題，厘清了2種不同類型結(jié)構(gòu)結(jié)合設(shè)計的關(guān)鍵要素，彌補(bǔ)了以往研究的不足，得到如下結(jié)論。

1)市政橋梁與地鐵明挖車站進(jìn)行合建時，可將車站結(jié)構(gòu)視作上部市政橋梁的箱型基礎(chǔ)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮橋墩與地鐵車站框架柱的布設(shè)方案，避開結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜區(qū)域，盡量實現(xiàn)上部荷載向地基的最有效傳遞，同時滿足地鐵車站和市政橋梁的安全使用需求。

2)由于上部橋梁荷載通常極大，在橋墩作用位置處，一定范圍內(nèi)的地鐵車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力發(fā)生較大變化，局部甚至發(fā)生突變，應(yīng)根據(jù)橋梁集中荷載對車站結(jié)構(gòu)的影響，相應(yīng)增強(qiáng)頂?shù)装濉?cè)墻、框架柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸和配筋。

3)上部橋梁集中荷載引起頂板和中板較大面積的沉降增加，而底板因下部地基支撐作用，與無橋梁荷載工況下的沉降值相比無明顯變化，地基承載力大小對結(jié)構(gòu)沉降有一定影響，設(shè)計時應(yīng)予以考慮。

4)地震工況下，橋梁荷載作用對地鐵車站結(jié)構(gòu)影響較小，合建結(jié)構(gòu)的抗震性能可滿足抗震設(shè)防要求。

5)下一階段工作中，可結(jié)合地鐵和橋梁運營后的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對本文的分析結(jié)果進(jìn)行印證分析，進(jìn)一步完善優(yōu)化本文的研究成果。