非對稱邊界無柱大跨地鐵車站受力分析

高 偉 黃小平 戴長勝

1. 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092；

2. 上海申通地鐵集團(tuán)有限公司 上海 201103；

3. 上海軌道交通十五號線發(fā)展有限公司 上海 200231

相較于傳統(tǒng)地鐵車站，無柱大跨車站具有空間通透、視野開闊、客流順暢等優(yōu)點(diǎn)，目前已在上海、廣州、深圳等多地得以實(shí)踐。林偉波[1]針對頂板加腋式無柱大跨地鐵車站進(jìn)行靜動(dòng)力性能研究。何旭升等[2]、楊磊等[3]以南寧某無柱大跨變截面地鐵車站為例，結(jié)合振動(dòng)臺試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行車站結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性分析。寧子健[4]運(yùn)用三維有限元軟件對廣州某地下4層無柱大跨變截面地鐵車站進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。楊成蛟等[5-6]分別針對11、12 m寬島式站臺明挖無柱拱形地鐵車站的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳盡論述。以上工程地鐵車站兩側(cè)均為迎土對稱邊界，車站水平受力對稱。上海軌交15號線新建上海南站站一側(cè)結(jié)合下沉式廣場設(shè)計(jì)，其標(biāo)準(zhǔn)斷面為一側(cè)迎土、一側(cè)敞開的非對稱邊界。本文針對此類非對稱邊界地鐵車站，對在不同覆土條件下的車站結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行分析，并驗(yàn)算地震作用下車站的結(jié)構(gòu)安全性。

1 工程概況

上海軌交15號線上海南站站位于滬閔路和柳州路交叉口徐匯萬科中心地塊內(nèi)，沿柳州路東側(cè)南北向布置，北端緊鄰滬閔路（圖1）。車站為地下3層島式車站，車站外包總長度169 m，標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度26.4～27.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段深度約25.2 m。

圖1 軌交15號線上海南站站平面

車站與已建的萬科中心三期項(xiàng)目共墻，開發(fā)項(xiàng)目地下3層，深度約15.2 m，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；鄰近地鐵側(cè)為萬科下沉式廣場，開挖深度約11 m。

作為鐵路換乘進(jìn)入上海的標(biāo)志性車站，車站設(shè)計(jì)之初就致力于打造成為軌交15號線最美車站之一，同時(shí)考慮到車站大客流因素，車站站廳層采用無柱方案。通過頂層設(shè)大跨拱梁和拱板，給乘客提供一個(gè)高達(dá)8.52 m、寬度23.5 m的寬敞明亮的空間和環(huán)境（圖2）。

圖2 站廳層建筑效果

2 車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常情況下，為預(yù)留車站建成后頂部遠(yuǎn)期重力流管道路由，車站覆土一般為3 m，但對于無柱大跨車站，過大的覆土荷載會導(dǎo)致拱頂及側(cè)墻彎矩急劇增大，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難。本工程車站位于地塊內(nèi)，車站平面范圍內(nèi)無大直徑管線分布，因此車站埋深不受管線制約，可以在受力合理范圍內(nèi)盡量淺埋。同時(shí)，為滿足區(qū)間下穿既有隧道要求，本站設(shè)置為地下3層站。此外，本車站結(jié)合地塊下沉式廣場開發(fā)統(tǒng)籌考慮，車站站廳層近下沉式廣場側(cè)為大開口結(jié)構(gòu)，另一側(cè)為常規(guī)迎土側(cè)，車站水平向承受非對稱荷載。

基于以上條件，初步擬定車站橫斷面形式為：車站采用3層，頂層為無柱大跨拱形，設(shè)備層及站臺層為兩柱三跨，縱向間距9 m設(shè)置拱形肋梁及中柱、邊柱，中柱兩側(cè)縱向設(shè)2排抗拔樁，側(cè)墻采用疊合墻（圖3）。

圖3 車站標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面

本文利用SAP2000軟件建模計(jì)算，取柱跨板寬，按平面框架有限元計(jì)算，將底板下土體作用按一系列僅承受壓力、不能承受拉力的土彈簧進(jìn)行模擬，分別考慮車站結(jié)構(gòu)承受向下荷載和向上荷載2種最不利工況進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算內(nèi)力包絡(luò)圖進(jìn)行板和側(cè)墻的配筋。驗(yàn)算結(jié)構(gòu)裂縫寬度時(shí)，取彎矩計(jì)算結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)值。其中，向下荷載最不利工況為假定車站底板泄水孔仍然使用，底板不受水浮力；向上荷載最不利工況為底板泄水孔封閉，車站尚未裝修，未承受任何活載，底板承受最高水位浮力。車站計(jì)算荷載簡圖如圖4所示。

圖4 車站計(jì)算荷載簡圖

2.1 底板受力分析

車站底板埋深25 m，地下水位為地面下0.5 m，車站底板承受水反力較大，因此對于空間要求不高的設(shè)備層與站臺層可設(shè)置雙排柱。由于頂層未設(shè)置中柱，底板水反力無法由中柱傳遞至頂板，且頂板覆土壓重也較小，因此在不設(shè)置抗拔樁時(shí)，底板彎矩最大值可達(dá)45 500 kN·m，故本工程于中柱兩側(cè)縱向間距3 m設(shè)置2排抗拔樁，使底板最大彎矩減小至4 890 kN·m。

2.2 頂板、側(cè)墻受力分析

上節(jié)計(jì)算結(jié)果表明，由于車站鄰近下沉式廣場側(cè)無水土荷載，車站側(cè)墻受力兩側(cè)不對稱，站廳層鄰近下沉式廣場側(cè)彎矩值更大，且對應(yīng)設(shè)備層側(cè)墻彎矩明顯大于迎土側(cè)側(cè)墻彎矩，彎矩傳遞至站臺層時(shí)，車站兩側(cè)彎矩相對對稱，非對稱邊界影響可忽略。

此外，無柱大跨拱形車站結(jié)構(gòu)頂板由于跨度較大，承受較大覆土壓力，頂板跨中及支座處彎矩較為顯著，保持車站跨度不變，通過計(jì)算對比不同覆土情況下車站頂板及側(cè)墻最大彎矩，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 最小覆土與頂板、側(cè)墻彎矩關(guān)系

從圖5可見，隨著覆土厚度的增加，頂板跨中彎矩接近線性增大，但側(cè)墻最大彎矩增幅相對較緩，因?yàn)轫敯鍍蓚?cè)支撐條件穩(wěn)定，跨中彎矩隨荷載線性變化，側(cè)墻部分彎矩傳遞至中板及下一層墻體，增幅相對較平緩。

2.3 站廳層中板受力分析

通過計(jì)算，不同覆土條件與站廳層中板軸力關(guān)系見圖6。從圖6中可見，站廳層中板軸力隨著不同覆土變化較大。在荷載向下最不利組合的情況下，即車站底板泄水孔未封閉，車站回筑完成時(shí)，隨著覆土增大，側(cè)墻高度減小，站廳層中板軸力由壓力逐漸轉(zhuǎn)變成拉力，當(dāng)最小覆土由0.8 m增加至2.3 m時(shí)，站廳層中板軸力恰好為0，隨著最小覆土的進(jìn)一步增大，中板存在受拉工況，板的受力狀態(tài)由壓彎構(gòu)件轉(zhuǎn)化為拉彎構(gòu)件，對結(jié)構(gòu)受力不利。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取合適的覆土，避免中板出現(xiàn)受拉工況。

圖6 最小覆土與中板軸力關(guān)系

2.4 結(jié)構(gòu)變形分析

經(jīng)驗(yàn)算，拱形梁跨中豎向最大位移為27.8 mm，撓度比為1/911，滿足GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》受彎構(gòu)件撓跨比限值1/300的要求。

3 車站抗震性能分析

為了驗(yàn)算車站結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)受力性能，采用時(shí)程分析法進(jìn)行車站結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算?？拐鹩?jì)算時(shí)采用Midas GTS-NX軟件，建?？v向長度選取車站縱向標(biāo)準(zhǔn)柱跨，橫向?qū)挾葍蛇叿謩e外擴(kuò)3倍車站寬度，模型深度為70 m，側(cè)面邊界采用自由場邊界，底部為固定邊界并作為地震動(dòng)輸入端。模型計(jì)算地震波入射平面垂直于車站縱向軸線，不考慮斜入射影響及行波效應(yīng)。地震波采用E2地震作用未來50年超越概率10%時(shí)的地震波，地震持續(xù)時(shí)間為結(jié)構(gòu)基本周期的5～10倍，計(jì)算采用Rayleigh阻尼，有限元計(jì)算模型見圖7。

圖7 抗震時(shí)程分析計(jì)算模型

靜力荷載及地震偶然組合下的車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力見圖8。從圖8中可看出，地震工況下：車站站臺層中柱與樓板交點(diǎn)應(yīng)力顯著增大，這與日本1995年阪神大地震所致地鐵車站震害規(guī)律一致[7]。此外，由于站廳層左右邊界的不對稱性，迎土側(cè)土壓力在水平地震作用下導(dǎo)致開洞側(cè)側(cè)墻與頂板交點(diǎn)應(yīng)力較大。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對站廳層開洞側(cè)側(cè)墻與頂板交點(diǎn)設(shè)置加強(qiáng)縱梁，對中柱與樓板銜接處節(jié)點(diǎn)配筋予以加強(qiáng)。

圖8 靜力與地震作用下車站應(yīng)力

4 結(jié)語

1）無柱大跨車站可在站廳層營造通透的大空間，但在人流密度不高的設(shè)備層、站臺層，為使結(jié)構(gòu)受力更合理，可維持傳統(tǒng)中柱設(shè)計(jì)，對于地下水位較高的地區(qū)，由于底板中柱豎向支撐力較弱，且站廳層中柱缺失，底板在水反力作用下可出現(xiàn)較大跨中彎矩，一般可采取增設(shè)抗拔樁的措施優(yōu)化底板受力。

2）由于車站站廳層一側(cè)開洞、一側(cè)迎土，邊界及荷載條件均不對稱，導(dǎo)致開洞側(cè)所在的站廳層及對應(yīng)的設(shè)備層側(cè)墻彎矩顯著增大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對該側(cè)側(cè)墻與框柱予以適當(dāng)加強(qiáng)。

3）不同的頂覆土條件下，站廳層中板軸力出現(xiàn)不同受力狀態(tài)，較大的覆土?xí)?dǎo)致中板出現(xiàn)拉應(yīng)力，中板受力由壓彎構(gòu)件轉(zhuǎn)換成拉彎構(gòu)件，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不利，應(yīng)予以避免。

4）非對稱邊界無柱大跨車站地震作用下，站廳層開洞側(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力顯著增大，頂板與側(cè)墻交點(diǎn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以加強(qiáng)。此外，車站站臺層中柱與樓板交點(diǎn)在地震作用下應(yīng)力顯著增大，是車站結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)。