軌道交通地下車站大跨結(jié)構(gòu)形式比選

郭 享 張榮寬

(1.蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司 江蘇蘇州 215008；2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 江蘇南京 210014)

1 引言

隨著城市軌道線路里程的增加和線網(wǎng)的交匯成型，地鐵客流量將大幅增長，地鐵換乘站等人群密集的地下空間需相應(yīng)增加空間規(guī)模，以滿足人群流通的舒適性，提高流通效率[1]。增加結(jié)構(gòu)跨度、減小框架柱布設(shè)數(shù)量，是提升車站內(nèi)部空間感的有效方式。一般地鐵車站為普通混凝土框架結(jié)構(gòu)，最大跨度通常不超過10 m，當(dāng)跨度增大時(shí)，構(gòu)件內(nèi)力隨跨度成平方倍數(shù)式增長，變形也會(huì)較大幅度增長，需增加結(jié)構(gòu)尺寸、配筋以滿足承載能力和使用要求，通常協(xié)調(diào)性和美觀性較差，因此，有必要采取新思路新方法，研究合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)處理措施。

國內(nèi)已有許多城市地鐵車站采用大跨度結(jié)構(gòu)。南通1號(hào)線環(huán)西文化廣場站采用雙環(huán)穹頂結(jié)構(gòu)，最大結(jié)構(gòu)跨度約28 m；無錫地鐵1號(hào)線市民中心站換乘節(jié)點(diǎn)采用密肋樓蓋結(jié)構(gòu)體系，最大結(jié)構(gòu)跨度約25.4 m；武漢地鐵11號(hào)線光谷五路站、鄭州地鐵3號(hào)線新柳路站采用了型鋼混凝土梁和鋼管柱，最大結(jié)構(gòu)跨度分別約36.5 m和16.2 m。

雙環(huán)穹頂結(jié)構(gòu)通過懸挑梁支撐中間環(huán)梁，達(dá)到減小板跨度的效果，但中間環(huán)梁節(jié)點(diǎn)位置的抗震性能相對(duì)薄弱，且對(duì)梁截面的尺寸要求較大，影響站內(nèi)的管線布設(shè)和整體空間效果；密肋樓蓋結(jié)構(gòu)體系由薄板及間距較小的肋梁形成，整體性較好，剛度大，自重較輕，但由于梁間距密集，模板架設(shè)和鋼筋綁扎較困難，施工難度較大[2]；鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)充分利用混凝土和鋼材兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)尺寸截面較小，整體性好，剛度大，承載力強(qiáng)，但梁柱節(jié)點(diǎn)處構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，型鋼梁柱需預(yù)制加工，現(xiàn)場施工時(shí)需一次性澆筑成型[3]。

本文以蘇州某地鐵車站的建設(shè)為依托，參考國內(nèi)既有工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮構(gòu)件尺寸、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形、施工難度等因素，研究比選換乘節(jié)點(diǎn)處的大跨結(jié)構(gòu)形式。

2 工程概況

蘇州軌道交通8、10號(hào)線換乘站相城大道站位于陽澄湖中路和相城大道交叉口，其中，8號(hào)線沿陽澄湖中路東西向敷設(shè)，為近期建設(shè)的地下兩層島式站，10號(hào)線沿相城大道南北向敷設(shè)，為遠(yuǎn)期建設(shè)的地下三層島式站。兩線換乘節(jié)點(diǎn)的地下三層結(jié)構(gòu)近期建設(shè)，地下一層站廳設(shè)置為圓形無柱換乘大廳，東西向結(jié)構(gòu)跨度為27.1 m，南北向結(jié)構(gòu)跨度為22.6 m，如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目位置示意

車站結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為100年，位于抗震設(shè)防烈度7度地區(qū)，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類。車站范圍內(nèi)土層自上而下主要為:①1雜填土、①3素填土、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土、③3粘質(zhì)粉土、④2粉砂、⑤1粉質(zhì)黏土、⑥1黏土、⑥2粉質(zhì)黏土，車站底板埋深約27.7 m，位于⑥2粉質(zhì)黏土層。場地內(nèi)歷史最高潛水水位為2.63m，微承壓水賦存于第一隔水層下的粉土、粉砂層中，最高微承壓水位為1.74 m(均為1985國家高程)。

3 大跨結(jié)構(gòu)方案擬定

車站站廳層結(jié)構(gòu)跨度為27.1 m×22.6 m，遠(yuǎn)超普通地下結(jié)構(gòu)跨度，根據(jù)站內(nèi)空間效果要求，結(jié)合車站柱網(wǎng)布置形式，換乘節(jié)點(diǎn)大跨結(jié)構(gòu)擬采用普通混凝土梁柱結(jié)構(gòu)體系、密肋樓蓋結(jié)構(gòu)體系、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系。各結(jié)構(gòu)體系均由兩道環(huán)梁+框架梁組成，普通混凝土梁柱結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)內(nèi)環(huán)均采用井字梁，板跨約6.6～10.3 m；密肋樓蓋結(jié)構(gòu)內(nèi)環(huán)被雙向密肋分割為較小的板塊，板跨最大約3.5 m；外環(huán)板塊跨度最大約11.6 m。為減小上部荷載重量，換乘節(jié)點(diǎn)處車站頂板局部上抬2.3 m，頂板覆土約1.9 m。

4 仿真計(jì)算分析

4.1 模型建立

采用數(shù)值仿真計(jì)算軟件Midas Gen建立三維荷載-結(jié)構(gòu)模型，對(duì)各種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析計(jì)算。地下結(jié)構(gòu)的板墻構(gòu)件采用板單元進(jìn)行模擬，梁柱構(gòu)件采用梁單元進(jìn)行模擬。

模型范圍包括整個(gè)換乘節(jié)點(diǎn)部分，并伸出車站標(biāo)準(zhǔn)段兩跨，以弱化模型邊界效應(yīng)，底板、側(cè)墻與周邊土體采用面彈簧連接，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型

4.2 結(jié)構(gòu)材料

各結(jié)構(gòu)體系的混凝土板、墻、梁構(gòu)件采用C35混凝土，框架柱采用C50混凝土，型鋼梁、柱采用Q355B鋼材。

4.3 計(jì)算工況及計(jì)算荷載

(1)計(jì)算工況

根據(jù)工程實(shí)際情況，分別考慮車站施工和使用階段，對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)組合，取荷載基本組合的最不利值驗(yàn)算構(gòu)件強(qiáng)度，荷載準(zhǔn)永久值組合的最不利值驗(yàn)算構(gòu)件裂縫寬度(控制值0.3 mm)和結(jié)構(gòu)變形值(控制值L0/400)。

(2)計(jì)算荷載

①永久荷載

a.結(jié)構(gòu)自重:鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)重度γ=25 kN/m3；b.地層壓力:土體容重、側(cè)壓力系數(shù)取各土層加權(quán)平均值，分別取γ=20 kN/m3和K0=0.5；c.設(shè)備重量:內(nèi)部設(shè)備按等效荷載8 kPa；d.水壓力及浮力:水容重γ=10 kN/m3，抗浮設(shè)防水位取至地面。

②可變荷載

a.人群荷載取4 kPa；b.地面超載按等效均布荷載取20 kPa；c.車輛荷載考慮動(dòng)力效率按等效均布荷載取30 kPa；d.施工超載按等效均布荷載取10 kPa。

4.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系的受力狀態(tài)基本一致，板最大內(nèi)力出現(xiàn)在中間及四個(gè)角部，梁最大內(nèi)力集中在短邊方向的框架梁上，如圖3～圖6所示。

圖3 普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)板彎矩(單位:kN·m)

圖4 普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁彎矩(單位:kN·m)

圖5 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)板彎矩(單位:kN·m)

圖6 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁彎矩(單位:kN·m)

密肋樓蓋結(jié)構(gòu)由于中間梁密集，結(jié)構(gòu)剛度較大，中間位置的板內(nèi)力較小，板最大內(nèi)力集中在四個(gè)角部，梁最大內(nèi)力仍集中在短邊方向的框架梁上，如圖7～圖8所示。

圖7 密肋樓蓋結(jié)構(gòu)板彎矩(單位:kN·m)

圖8 密肋樓蓋結(jié)構(gòu)梁彎矩(單位:kN·m)

不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表1所示，密肋樓蓋結(jié)構(gòu)肋梁將板分割為多個(gè)小塊，內(nèi)環(huán)梁范圍內(nèi)頂板內(nèi)力最小，外環(huán)四個(gè)角部的板彎矩與其余兩種結(jié)構(gòu)相差不大，但是剪力減小約25%。密肋樓蓋結(jié)構(gòu)上部荷載被多根間距較小的肋梁分擔(dān)，每根肋梁承擔(dān)的彎矩較小，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的梁剛度較大，承擔(dān)內(nèi)力較密肋梁大，其中，短邊主梁和長邊次梁彎矩較密肋樓蓋結(jié)構(gòu)分別增加3.6%～4.8%、20.9%～50.7%；普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)力遠(yuǎn)超過前兩種結(jié)構(gòu)，短邊主梁和長邊次梁彎矩較密肋樓蓋結(jié)構(gòu)分別增加7.2%～16.6%、29.7%～102.0%，較鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)分別增加3.5%～10.7%、5.4%～34.1%。三種結(jié)構(gòu)短邊方向的主梁剪力較為接近，但密肋梁長邊方向的次梁剪力相較其他兩種結(jié)構(gòu)減小約25%。

表1 不同結(jié)構(gòu)形式的構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

三種結(jié)構(gòu)體系支座處的彎矩明顯大于跨中處，是由于支座處多根梁連接，根據(jù)彎矩平衡理論，大跨結(jié)構(gòu)梁支座處彎矩較大是合理的。

4.5 板梁構(gòu)件尺寸

根據(jù)上述內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，分別核算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和裂縫寬度，擬定構(gòu)件尺寸，如表2所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)形式的梁板構(gòu)件尺寸對(duì)比

三種結(jié)構(gòu)體系的板結(jié)構(gòu)尺寸和配筋相差不大，密肋樓蓋結(jié)構(gòu)內(nèi)環(huán)范圍內(nèi)板尺寸有一定優(yōu)化。普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和密肋樓蓋結(jié)構(gòu)的梁構(gòu)件尺寸和配筋均較大，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁寬和梁高相較鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)分別增加了20.0%、18.2%，配筋量增加了200%，密肋樓蓋結(jié)構(gòu)的梁寬和梁高相較鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)分別增加了20.0%、9.1%，配筋量增加了171%，另外，兩種結(jié)構(gòu)梁的裂縫寬度均大于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土梁的截面剛度由混凝土和型鋼兩部分組成，即EI=EcIc+EaIa(EcIc為鋼筋混凝土部分的截面抗彎剛度，EaIa為型鋼部分的截面抗彎剛度)，組合結(jié)構(gòu)中的型鋼極大提高了整個(gè)截面的強(qiáng)度，有效分擔(dān)了結(jié)構(gòu)內(nèi)力，能在一定程度上優(yōu)化構(gòu)件截面尺寸。

同時(shí)，從結(jié)構(gòu)變形上看，頂板豎向位移最大點(diǎn)均發(fā)生在圓形頂板中心位置，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的頂板變形最小，約為18.9 mm，滿足規(guī)范的結(jié)構(gòu)撓度限值，另外兩種結(jié)構(gòu)的變形基本一致，較鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)增大約12%左右，當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸減小時(shí)，變形會(huì)有一定程度的增加。

4.6 框架柱構(gòu)件尺寸

在地下結(jié)構(gòu)柱的設(shè)計(jì)中，為了保證地震工況下框架柱的塑性變形能力和抗傾塌能力，通常對(duì)普通混凝土框架柱的軸壓比進(jìn)行限制，期望柱不發(fā)生屈服且最終為大偏心破壞[4-5]。圓形鋼管混凝土柱由于圓鋼管對(duì)核心混凝土的套箍約束作用，核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，使其具有更高的抗壓強(qiáng)度和壓縮變形能力；另外，由于鋼管內(nèi)填混凝土的支撐作用，改變空鋼管的失穩(wěn)模態(tài)，軸壓比的限值通常高于穩(wěn)定系數(shù)，可不作為設(shè)計(jì)的控制因素[6-7]；但根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在寬厚比和內(nèi)填混凝土強(qiáng)度相同的情況下，軸壓比較低時(shí)，鋼管混凝土柱有良好的延性和耗能能力，設(shè)計(jì)時(shí)將軸壓比維持較小值對(duì)抗震有利[8-9]。

框架柱地下三層軸力設(shè)計(jì)值約27 611 kN，是標(biāo)準(zhǔn)段車站框架柱壓力的三倍左右，若采用普通混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求，考慮箍筋的加強(qiáng)作用時(shí)，本工程中柱軸壓比限值為0.90，需采用φ1 400(C50砼)的圓柱，若采用φ1 100鋼管圓柱，軸壓比僅為0.45，截面尺寸要遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土柱，站內(nèi)空間效果更佳。

5 鋼-混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)用要點(diǎn)

大跨結(jié)構(gòu)內(nèi)環(huán)柱節(jié)點(diǎn)處有多根梁交叉，連接復(fù)雜，安全可靠的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是保證結(jié)構(gòu)正常工作的前提，需確保節(jié)點(diǎn)具有良好的受力及抗震性能。研究表明，鋼-混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)在低周期反復(fù)荷載下有較好的剛度和延性，可提高節(jié)點(diǎn)的抗裂度和抗剪承載力，增加結(jié)構(gòu)的耗能能力，防止節(jié)點(diǎn)脆性破壞[10]，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的延性和耗能能力均要優(yōu)于普通鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)。

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)不同于一般的混凝土結(jié)構(gòu)，僅通過鋼筋與混凝土的相互錨固作用連接，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮足夠的強(qiáng)度連接和現(xiàn)場的可實(shí)施性。鋼管柱內(nèi)、外圈設(shè)置環(huán)板和加勁肋板，梁內(nèi)型鋼與環(huán)板預(yù)先加工焊接，并在連接板上焊接短鋼筋，型鋼柱吊裝就位后，利用直螺紋套筒將鋼筋接長，梁縱向上、下排鋼筋與其平面焊接，避免仰焊[11]；主、次梁交叉處，梁上排縱向鋼筋標(biāo)高錯(cuò)開，避免縱橫向鋼筋相碰，同時(shí)在型鋼梁腹板及加勁肋板上預(yù)留穿鋼筋的孔洞[12]。

為確保施工質(zhì)量良好，型鋼梁和鋼管柱安裝時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制軸線精度、標(biāo)高、垂直度、焊接質(zhì)量，在梁柱接頭處和梁的型鋼翼緣混凝土澆搗較困難，需預(yù)留排氣孔和混凝土澆筑孔[13]。

6 結(jié)束語

(1)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)剛度大，承載能力強(qiáng)，梁、柱結(jié)構(gòu)尺寸均要優(yōu)于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、密肋樓蓋結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)延性及抗震性能更為優(yōu)良，在空間效果要求高或結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的地下?lián)Q乘車站設(shè)計(jì)時(shí)，可予以優(yōu)先考慮。

(2)在結(jié)構(gòu)跨度較大時(shí)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)對(duì)變形的控制效果有限，增大結(jié)構(gòu)截面尺寸，可在一定程度上減小整體變形。

(3)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處連接較為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)應(yīng)考慮連接強(qiáng)度的有效性和可實(shí)施性，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格精度，確保施工質(zhì)量。

(4)由于地鐵車站換乘節(jié)點(diǎn)平面范圍和深度較大，與車站標(biāo)準(zhǔn)段通常分開實(shí)施，但鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)通常要求一次性成型，有必要根據(jù)車站周邊環(huán)境，制定合理的基坑施工和結(jié)構(gòu)澆筑方案，以保證大跨結(jié)構(gòu)的順利實(shí)施。