無柱大跨拱形地鐵車站結(jié)構(gòu)研究分析

朱坤朋

（中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，上海 200070）

1 引言

我國地鐵工程經(jīng)過幾十年的迅速發(fā)展，地下車站結(jié)構(gòu)設(shè)計從最初的滿足安全可靠、經(jīng)濟適用、功能合理等基本要求，不斷向結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新、空間建筑美觀、視野空間開闊等方向邁進。無柱大跨地鐵車站憑借其優(yōu)秀的空間視覺效果、獨具特色的建筑造型、良好的乘車舒適性被多座城市地鐵采用。

目前，無柱大跨地鐵車站頂板結(jié)構(gòu)形式有折板、變截面板、拱形板、拉桿拱等，不同結(jié)構(gòu)形式的受力存在一定差異，一般根據(jù)工程的覆土、軌面埋深等情況，選用合理的結(jié)構(gòu)形式。采用拱形結(jié)構(gòu)頂板可減小截面板厚，且更具有沖擊性的視覺效果，但同時也存在一定的問題：一方面在頂板起拱后站廳層層高比標(biāo)準車站大，需加大車站埋深，增加造價；另一方面拱形頂板受垂直土壓力作用，在拱腳與側(cè)墻相交部位產(chǎn)生較大水平力，若板墻交點位于軟土地層，則拱腳水平力無有效支點分擔(dān)，存在受力不平衡現(xiàn)象。

2 工程概況

濟南地鐵某車站位于濟南市市中區(qū)，車站設(shè)計總長度198.5 m，有效站臺寬度11 m，為地下二層車站，車站范圍內(nèi)地形呈南高北低走勢，最大地面高差約5 m。根據(jù)工程所處的特殊環(huán)境條件，因地制宜設(shè)計提出了小里程端局部采用三層結(jié)構(gòu)，公共區(qū)采用拱形二層結(jié)構(gòu)，大里程端采用矩形二層結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)形式組合，一方面可有效減小頂板覆土厚度，優(yōu)化頂板受力，減小板厚；另一方面利用拱形結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，拱形頂板可承受較大的覆土壓力。車站結(jié)構(gòu)縱剖面如圖1所示。

圖1 車站縱剖面圖

3 無柱拱形結(jié)構(gòu)設(shè)計

本站頂板覆土厚度起伏較大，站廳層較高，具備頂板起拱的空間條件，為此設(shè)計采用頂板起拱站廳無柱結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計既解決了因頂板覆土變化而導(dǎo)致的頂板加厚及頂板分級抬升問題，又可實現(xiàn)理想的頂板起拱設(shè)計。然而，站廳無柱結(jié)構(gòu)將使底板無有效跨中支座，浮力工況下底板跨中彎矩較大，需采用相應(yīng)的措施抵抗跨中彎矩，一般有以下3種方法：①增大板截面，根據(jù)最大浮力工況時底板受力，增大相應(yīng)截面尺寸；② 底板跨中設(shè)置抵抗浮力的抗拔樁，抗拔樁作為板跨中支座，可有效減小跨中彎矩，減小板厚；③底板設(shè)置仰拱，可有效減小底板跨中彎矩，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。

在本站采用頂板起拱站廳層無柱結(jié)構(gòu)設(shè)計下，對于站臺層可選擇站臺有柱與站臺無柱2種結(jié)構(gòu)形式方案，如圖2、圖3所示。

圖2 方案1結(jié)構(gòu)橫斷面（單位：mm）

圖3 方案2結(jié)構(gòu)橫斷面（單位：mm）

（1）方案1，站廳層無柱、站臺層有柱。結(jié)構(gòu)斷面尺寸為頂板700 mm、側(cè)墻800 mm、中板450 mm、底板900 mm；在頂板、底板與側(cè)墻相交部位增加截面厚度，以滿足負彎矩要求。

（2）方案2，站廳層、站臺層均無柱。結(jié)構(gòu)斷面尺寸為頂板700 mm、側(cè)墻900 mm、中板650 mm、底板1 000 mm，與站廳層無柱、站臺層有柱結(jié)構(gòu)相比，底板、側(cè)墻厚度均增加100 mm，中板增加200 mm。

經(jīng)結(jié)構(gòu)比選，站廳層、站臺層均無柱結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的建筑效果。

4 結(jié)構(gòu)受力分析

4.1 結(jié)構(gòu)荷載及參數(shù)

本站頂板拱形區(qū)覆土厚度變化較大，北側(cè)覆土約3 m，南側(cè)覆土約6 m。本次計算荷載結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，為較好反映計算結(jié)果，綜合考慮拱頂覆土變化較大因素，拱頂覆土厚度取5 m，土層計算參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理參數(shù)表

圖4 荷載結(jié)構(gòu)計算模型

4.2 結(jié)構(gòu)受力計算

圖5～圖6、表2給出了方案1、方案2浮力工況下結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果（2個方案頂板拱結(jié)構(gòu)截面相同），計算結(jié)果分析如下。

表2 不同方案結(jié)構(gòu)彎矩（準永久）、變形對比

圖5 方案1彎矩、變形圖

圖6 方案2彎矩、變形圖

（1）方案2相比方案1，拱頂正彎矩略有減小，拱腳負彎矩減小40 kN · m，拱頂撓度變形減小1.5 mm；2 個方案相比，彎矩、撓度變形變化均較小，說明站臺層是否設(shè)柱對頂板受力影響較??；頂板拱腳水平向變形，方案2相比方案1由4.9 mm減小至3.6 mm，水平變形值減小26%，說明站臺層不設(shè)柱對拱腳水平變形具有有利作用。

（2）方案2中板計算跨度由方案1的9.75 m增加至19.6 m，跨中正彎矩跨由111 kN · m增大至397 kN · m，支座負彎矩由335 kN · m增大至680 kN · m；中板跨中撓度變形增大21.3 mm。本文通過將中板厚度從450 mm增加至650 mm，來滿足結(jié)構(gòu)承載力、變形要求。

（3）方案2底板計算跨度由方案1的9.75 m增加至19.6 m，方案2相比方案1底板跨中正彎矩增大112 kN · m，底板支座負彎矩增大232 kN · m，底板中間位置撓度變形增大1.7 mm。此時，對于增大了的底板跨中彎矩，本文采用增大配筋滿足其承載力、變形要求；底板支座負彎矩增大較多，需通過增加截面方式滿足其承載力、變形要求，本文將底板厚度從原900 mm調(diào)整為1 000 mm。

（4）方案2站廳層側(cè)墻中板位置負彎矩相比方案1增大314 kN · m，此時，對于增大了的側(cè)墻中板位置負彎矩，本文通過將側(cè)墻截面由800 mm調(diào)整為900 mm，以滿足結(jié)構(gòu)承載力要求；方案2側(cè)墻與中板相交位置支座負彎矩在中板上下兩側(cè)方向相反，與常規(guī)車站受力不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計時支座受力主筋應(yīng)設(shè)置在側(cè)墻受拉側(cè)。

4.3 圍護結(jié)構(gòu)對拱形結(jié)構(gòu)受力影響

拱形車站結(jié)構(gòu)在土質(zhì)地層中較少采用，究其原因在于拱結(jié)構(gòu)承受豎向荷載，受力平衡后在拱腳產(chǎn)生一個向外側(cè)的水平力，當(dāng)該水平力沒有有效支點平衡時，拱腳將產(chǎn)生較大的水平變形，拱結(jié)構(gòu)變?yōu)椴环€(wěn)定體系。本站站址范圍內(nèi)巖面位于中板以上，底板拱腳具有可靠的約束條件，頂板拱腳位于膠結(jié)礫巖層，不能有效約束拱腳變形。考慮車站外側(cè)圍護結(jié)構(gòu)對拱腳的約束力，可將圍護結(jié)構(gòu)視為車站側(cè)墻的彈性地基梁，研究圍護結(jié)構(gòu)對頂板拱腳的約束作用。

根據(jù)本站詳勘報告，選用φ1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁可滿足基坑開挖時圍護結(jié)構(gòu)受力及變形要求。為進一步研究不同剛度的圍護結(jié)構(gòu)對頂板拱腳的約束作用，計算中選取φ1 000 mm@1 500 mm、φ1 000 mm@1 200 mm 2種圍護結(jié)構(gòu)，并按照等剛度代換原則將其等效為700 mm、800 mm厚度地連墻進行計算。本文以方案2結(jié)構(gòu)進行計算，研究外側(cè)圍護結(jié)構(gòu)剛度對拱形結(jié)構(gòu)的受力影響，其計算結(jié)果見圖7～圖 8、表3。

由圖7～圖8、表3計算結(jié)果可知：考慮外側(cè)圍護結(jié)構(gòu)剛度后，頂板拱頂、拱腳彎矩均有減小，當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注時，拱頂、拱腳彎矩值相比不考慮圍護結(jié)構(gòu)剛度分別降低了35%、24%，拱腳水平變形降低了50%；當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注時，拱頂、拱腳彎矩值相比不考慮圍護結(jié)構(gòu)剛度分別降低了40%、28%，拱腳水平變形降低了64%；外側(cè)圍護結(jié)構(gòu)剛度對中板、底板、側(cè)墻的受力影響基本可以忽略。

表3 不同圍護結(jié)構(gòu)剛度下結(jié)構(gòu)彎矩（準永久）對比 kN · m

圖7 φ1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)彎矩、變形圖（單位：mm）

圖8 φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)彎矩、變形圖

以上分析可認為外側(cè)圍護結(jié)構(gòu)對拱腳的水平向變形具有一定的約束作用，拱腳位置圍護樁向迎土側(cè)產(chǎn)生較大彎矩，說明在拱腳處水平分力近似于集中力作用于圍護結(jié)構(gòu)。集中力作用位置為圍護結(jié)構(gòu)受力最薄弱點，結(jié)構(gòu)設(shè)計若考慮圍護結(jié)構(gòu)剛度對頂板拱腳約束的影響，應(yīng)將圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準確定為與車站結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準相同，拱腳位置圍護結(jié)構(gòu)承載力配筋按照基坑開挖工況和車站使用工況進行包絡(luò)設(shè)計，箍筋采用加密設(shè)計。

5 結(jié)論與建議

本文結(jié)合實際車站工程研究分析了拱形車站結(jié)構(gòu)選型及影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的因素，通過對比分析站臺層設(shè)柱與不設(shè)柱方案、不同圍護結(jié)構(gòu)剛度對頂板拱腳變形的影響，得出以下幾點結(jié)論與建議。

（1）頂板起拱時，站臺層是否設(shè)柱不影響頂板拱結(jié)構(gòu)受力，但站臺層不設(shè)柱對拱腳水平變形具有有利作用。

（2）可通過增加中板、底板、側(cè)墻截面尺寸，底板設(shè)置仰拱，實現(xiàn)站廳層、站臺層均無柱車站設(shè)計方案。

（3）圍護結(jié)構(gòu)對頂板拱腳具有一定的約束作用，考慮圍護結(jié)構(gòu)剛度增加時頂板拱頂、拱腳彎矩值、拱腳水平變形值均減小，圍護結(jié)構(gòu)剛度越大約束作用越明顯，結(jié)構(gòu)計算時可適當(dāng)考慮圍護結(jié)構(gòu)剛度，以提高車站結(jié)構(gòu)受力的冗余度。

（4）拱腳水平分力近似于集中力作用于圍護結(jié)構(gòu)，拱腳位置圍護結(jié)構(gòu)是受力最薄弱點，結(jié)構(gòu)設(shè)計時該位置配筋應(yīng)予以加強。