暗挖地鐵車站大跨度拱形中板的設(shè)計研究

趙 楓

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

近年來我國城市軌道交通的快速發(fā)展,車站、區(qū)間斷面形式逐漸多樣化,人們對地下空間中舒適性、適宜性等方面要求越來越高。隨著大連、廣州、青島等地大跨度無柱車站的出現(xiàn)[1-3],引起人們的關(guān)注,此類車站具有空間視野開闊、建筑美觀、客流效率高等特點[4],備受青睞。

各大城市地鐵車站采用不同的無柱結(jié)構(gòu)形式,廣州地鐵11號線某車站采用板加腋形式實現(xiàn)站廳、站臺層無柱功能[5]；青島地鐵3號線某車站采用單拱大跨實現(xiàn)了站廳層無柱功能[6]；沈陽地鐵2號線某車站采用新管幕法實現(xiàn)站廳層無柱功能[7]。

本文在拱蓋法暗挖車站結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上,提出采用“拱形中板”的結(jié)構(gòu)形式,實現(xiàn)車站站臺層大跨無柱的功能,并以青島地鐵1號線薛家島站為例,闡述此結(jié)構(gòu)形式,進(jìn)行有限元數(shù)值分析,總結(jié)此類結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計經(jīng)驗。

1 項目概況

1.1 工程背景

青島市地鐵1號線工程是青島市開工建設(shè)的第5條地鐵線路,線路南起黃島區(qū)峨眉山路站,北至青島流亭機(jī)場站,線路全長約60 km,共設(shè)車站39座,均為地下站,開通后將成為連接青島市區(qū)與西海岸新區(qū)的交通走廊。

薛家島站為由南向北設(shè)置的第10座車站,位于黃島區(qū)濱海大道與金山路路口以東,沿濱海大道東西向敷設(shè)；車站全長為213 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度21.3 m,為地下兩層島式車站；采用暗挖拱蓋法施工,拱頂覆土厚度約18 m。

1.2 地質(zhì)條件

車站站址范圍地形較為平坦,地貌類型為剝蝕斜坡區(qū),地層狀況如表1所示；表層覆蓋第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml),下伏花崗斑巖(γπ53),地層變化復(fù)雜；無不良地質(zhì),無膨脹土、殘積土等其他特殊性巖土。站址范圍水文地質(zhì)單元主要為低山丘陵基巖裂隙水分布區(qū),地下水類型主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水,水位埋深約2.50 m,水量中等,徑流方向復(fù)雜。

表1 場區(qū)巖土體模型計算參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)形式簡述

2.1 與傳統(tǒng)暗挖車站中板結(jié)構(gòu)形式對比

傳統(tǒng)拱蓋法暗挖車站往往主體結(jié)構(gòu)在中板下兩側(cè)預(yù)留牛腿,后期采用梁-板-柱結(jié)構(gòu)形式施作中板[8],板下設(shè)軌頂風(fēng)道,如圖1所示。須滿足相關(guān)專業(yè)以下要求：①軌頂風(fēng)道需滿足過風(fēng)面積；②軌頂風(fēng)道下方空間應(yīng)滿足列車限界要求；③中板下應(yīng)滿足管線布設(shè)空間及裝修高度。

圖1 傳統(tǒng)中板結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗,為實現(xiàn)站臺層無柱功能,中板可采用厚板加腋形式[9],此類結(jié)構(gòu)形式存在板厚、層高、內(nèi)力及變形較大、不經(jīng)濟(jì)等方面缺點。

在考慮以上結(jié)構(gòu)形式優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上,取消結(jié)構(gòu)中縱梁、柱及牛腿等構(gòu)件,擬在中板下設(shè)弧形板,所圍蔽區(qū)域為軌頂風(fēng)道,與中板形成拱形,簡稱“拱形中板”,如圖2所示。此結(jié)構(gòu)形式優(yōu)點顯而易見：結(jié)構(gòu)形式輕盈、美觀、構(gòu)件尺寸小,既滿足各專業(yè)的相關(guān)要求,又實現(xiàn)了站臺層大跨無柱的使用功能。

圖2 拱形中板結(jié)構(gòu)形式

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

構(gòu)件截面尺寸：為滿足靜力計算要求,拱形中板兩側(cè)上、下弦板及跨中板厚分別為0.3，0.5 m,兩端側(cè)墻厚度0.75 m,矢跨比為1/10,如圖3所示。

圖3 拱形中板截面(單位： mm)

工程材料： C35、C45混凝土,其技術(shù)條件應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》[10]相關(guān)規(guī)定。HRB400鋼筋,其材質(zhì)及性能應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1499.2—2018《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》[11]相關(guān)規(guī)定。

3 結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

3.1 計算參數(shù)及設(shè)計荷載

結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100年[12-13],安全等級為一級,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1；依據(jù)《青島地鐵1號線工程場地地震安全性評價性報告》：抗震設(shè)防烈度7度(0.1g),重點設(shè)防類,設(shè)計地震分組為第二組,場地類別為Ⅱ類；中板結(jié)構(gòu)所處環(huán)境類別為一般環(huán)境(I-B級),構(gòu)件裂縫寬度控制標(biāo)準(zhǔn)為0.3 mm。

結(jié)構(gòu)數(shù)值分析時,應(yīng)考慮以下荷載。

永久荷載：外側(cè)水壓力、土壓力、覆土重、結(jié)構(gòu)自重等。

可變荷載：地面超載、中板活載、施工荷載等。

人防荷載： 6級人防等效荷載。

地震作用。

計算中應(yīng)考慮荷載最不利組合,進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

3.2 結(jié)構(gòu)靜力分析

本結(jié)構(gòu)計算采用荷載-結(jié)構(gòu)模型,利用SAP2000有限元計算程序進(jìn)行分析,該模型未考慮車站附屬結(jié)構(gòu)及中板設(shè)備區(qū)洞口,僅考慮中板公共區(qū)1組樓扶梯洞口。結(jié)構(gòu)墻、中板采用板單元模擬,結(jié)構(gòu)梁采用梁單元模擬,地層對墻、板的抗力由彈簧[14](僅受壓)模擬,車站模型如圖4所示。

圖4 車站整體三維模型

經(jīng)整體計算,拱形中板內(nèi)力及變形如圖5、圖6所示,并將計算值與傳統(tǒng)中板、厚板形式中板進(jìn)行對比,如表2所示。

圖5 拱形中板彎矩及變形云圖

圖6 拱形中板軸力圖(單位：kN)

表2 中板內(nèi)力值對比

由以上數(shù)據(jù)分析表明,相比傳統(tǒng)中板、厚板形式中板而言：

拱形中板內(nèi)力及變形值均相對較小,僅軸力值較大,符合一般拱形結(jié)構(gòu)受力情況；此外厚板形式中板構(gòu)件尺寸均較大[15],跨中板厚為700 mm,支座處板厚為1 000 mm。

跨中彎矩受外側(cè)水、土壓力及超載作用,跨中部位彎矩呈負(fù)值,且埋深越大,水土壓力與彎矩、軸力成正比例變化。

在樓扶梯等洞口處,受空間關(guān)系影響,沿車站縱向洞口梁及節(jié)點處應(yīng)力集中明顯,數(shù)值較大,梁扭轉(zhuǎn)作用明顯。

此外,為保證拱形中板計算簡圖與現(xiàn)場實際受力相符,上弦板與下弦板交接處配筋將拱縱向受力鋼筋貫通設(shè)置,上弦板縱向受力鋼筋錨入結(jié)點內(nèi),如圖7所示。

圖7 結(jié)點配筋示意

3.3 結(jié)構(gòu)抗震分析

根據(jù)GB50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》[16]相關(guān)規(guī)定,并對抗震計算方法進(jìn)行對比分析[3],滿足以下要求： E2作用下,滿足性能Ⅰ,即彈性工作階段； E3作用下,滿足性能Ⅱ,即彈塑性階段,均采用非線性時程分析法。

本結(jié)構(gòu)計算采用地層-結(jié)構(gòu)模型,利用Midas-GTS NX有限元計算程序進(jìn)行分析。土體采用實體單元模擬,結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用板單元,頂部取至地面,結(jié)構(gòu)兩側(cè)及底部土體寬度各取5倍的結(jié)構(gòu)寬度[17],邊界條件采用黏彈性邊界[18](側(cè)面為自由場,底面為固定),整體模型及車站網(wǎng)格組劃分如圖8、圖9所示。

根據(jù)GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016年版)[19]要求,選用3條經(jīng)典水平地震波,分別為E1-Centro波、唐山波、TAR-TARZANA波； E2、E3作用下,最大峰值加速度應(yīng)分別為100,220 cm/s2,并對以上波形采用比例調(diào)整法[20]；地震作用的基準(zhǔn)面H為底板埋深加2倍車站結(jié)構(gòu)高度。

圖8 地層-結(jié)構(gòu)模型

圖9 車站網(wǎng)格劃分

經(jīng)模態(tài)分析、時程分析,可得出E2、E3作用下,結(jié)構(gòu)中板位移時程曲線如圖10～圖12所示,此外對結(jié)構(gòu)最大層間位移角進(jìn)行計算,如表3所示。

圖10 EL-Centro波作用下中板位移

圖11 唐山波作用下中板位移

圖12 TAR-TARZANA作用下中板位移

表3 最大層間位移角對比

由以上數(shù)據(jù)可知,拱形中板結(jié)構(gòu)在中震及大震作用下,結(jié)構(gòu)層間位移角均可滿足規(guī)范限值要求,與傳統(tǒng)中板結(jié)構(gòu)車站接近。

對E2作用下,與非地震工況下內(nèi)力進(jìn)行對比,如表4所示。

表4 中板內(nèi)力值對比

由表4可知,拱形中板跨中彎矩、軸力及剪力增幅約25%；此外,若站內(nèi)無障礙電梯采用混凝土井壁并與中板剛接,受仰拱水浮力作用,中板向上變形趨勢較明顯,下弦板軸力極劇增加,對結(jié)構(gòu)極為不利,不建議采用混凝土井壁。

4 結(jié)語

在拱蓋法車站基礎(chǔ)上提出采用拱形中板結(jié)構(gòu)形式,實現(xiàn)車站站臺層大跨度無柱功能,并進(jìn)行計算分析。目前青島地鐵1號線所有暗挖車站(5座)均采用此結(jié)構(gòu)形式,部分車站土建部分已施工完成,效果較好。

(1)結(jié)構(gòu)靜力分析中,拱形中板較傳統(tǒng)中板、厚板形式中板而言,內(nèi)力及變形值均相對較小,僅軸力值較大；車站外拱墻受兩側(cè)水土壓力作用,拱形中板跨中部位呈負(fù)彎矩,且水土壓力越大,彎矩、軸力等越大,設(shè)計中應(yīng)引起重視；此外在中板樓扶梯等洞口處,受空間關(guān)系作用,沿車站縱向梁及節(jié)點處內(nèi)力值較大,應(yīng)力集中明顯,應(yīng)加強(qiáng)此處截面設(shè)計,并考慮梁扭矩等不利效應(yīng)。

(2)結(jié)構(gòu)抗震分析中,中震及大震作用下,拱形中板結(jié)構(gòu)層間位移角等均可滿足規(guī)范限值要求； E2地震作用工況下,內(nèi)力較非地震工況增幅約25%,設(shè)計中應(yīng)引起重視；此外,若站內(nèi)無障礙電梯采用混凝土井壁并與中板剛接,受仰拱水浮力作用,中板上拱變形趨勢較明顯,導(dǎo)致下弦板軸力急劇增加,對結(jié)構(gòu)極為不利,建議不采用混凝土井壁。