大跨暗挖車站無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析及施工技術(shù)

趙英爽

（昆明地鐵建設(shè)管理有限公司，昆明 650051）

1 工程概況

某地鐵工程主干線1 號(hào)線全長(zhǎng)約59.97 km，6 號(hào)線全長(zhǎng)約57.56 km。根據(jù)施工規(guī)劃，主干線1 號(hào)線及6 號(hào)線暗挖車站均設(shè)計(jì)為大跨無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)，并且部分大跨暗挖無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成，可直接投入運(yùn)行使用。

基于1 號(hào)線瑞金路、小村莊站及6 號(hào)創(chuàng)智谷站，對(duì)大跨暗挖車站無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)內(nèi)力展開分析，把握其施工技術(shù)要點(diǎn)。

2 無(wú)柱結(jié)構(gòu)形式對(duì)比

總結(jié)地鐵工程主線1 號(hào)線及6 號(hào)線部分已建成的暗挖車站無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)是否設(shè)計(jì)軌頂風(fēng)道來(lái)確定無(wú)柱結(jié)構(gòu)形式。本文依托1 號(hào)線瑞金路、小村莊站及6 號(hào)創(chuàng)智谷站，存在設(shè)置軌頂風(fēng)道地鐵線路和未設(shè)置軌頂風(fēng)道地鐵線路2 種情況，故對(duì)拱形支撐結(jié)構(gòu)、平板斜撐結(jié)構(gòu)與變截面厚板結(jié)構(gòu)3 種無(wú)柱結(jié)構(gòu)形式展開分析。

1）拱形支撐結(jié)構(gòu)形式：該結(jié)構(gòu)形式是設(shè)置了軌頂風(fēng)道地鐵線路的常用形式之一，基本結(jié)構(gòu)原理為以中板下部弧形支撐為核心受力構(gòu)件，從而控制兩側(cè)平板結(jié)構(gòu)厚度。

2）平板斜撐結(jié)構(gòu)形式：該結(jié)構(gòu)形式是設(shè)置了軌頂風(fēng)道地鐵線路的另一常用形式，基本結(jié)構(gòu)形式與工程支撐結(jié)構(gòu)有一定相似之處，核心受力構(gòu)件為中板下部?jī)尚睋?，通過(guò)兩斜撐來(lái)降低中板結(jié)構(gòu)厚度。

3）變截面厚板結(jié)構(gòu)形式：該結(jié)構(gòu)形式是未設(shè)置軌頂風(fēng)道地鐵線路的常用形式，基本結(jié)構(gòu)原理為調(diào)整大跨中板截面高度和中板結(jié)構(gòu)抗彎剛度，從而實(shí)現(xiàn)重新分配中板內(nèi)力，控制跨中彎矩。若遇到中板開洞情況，與等截面厚板結(jié)構(gòu)形式相比，變截面厚板結(jié)構(gòu)形式更加具有優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布更加均衡，變形量控制效果好。

3 無(wú)柱結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型建立

以Midas CTSNX 軟件為數(shù)值分析平臺(tái)，對(duì)拱形支撐結(jié)構(gòu)、平板斜撐結(jié)構(gòu)與變截面厚板結(jié)構(gòu)3 種無(wú)柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，分板塊實(shí)施建模，結(jié)構(gòu)側(cè)墻、支撐及平板結(jié)構(gòu)位置選用板單元模擬，中板及中板開洞選用梁?jiǎn)卧?。建模?biāo)準(zhǔn)寬度為11 m，單元?jiǎng)澐珠L(zhǎng)度為1.0 m，模型尺寸為18.5 m×105 m，建模單元總計(jì)10 935 個(gè)。同時(shí)，模型數(shù)據(jù)分析采用荷載結(jié)構(gòu)法實(shí)施荷載模擬，結(jié)構(gòu)側(cè)墻、支撐等位置采用固定邊界法[1]。

3.2 計(jì)算原則及參數(shù)選取

在模擬過(guò)程中，針對(duì)3 種大跨無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)開展承載力極限狀態(tài)試驗(yàn)和正常使用極限狀態(tài)試驗(yàn)，同時(shí)實(shí)施結(jié)構(gòu)配筋。以下為計(jì)算原則及參數(shù)選?。?/p>

1）使用年限：本地鐵工程的使用年代為100 a，根據(jù)100 a 的使用年代確定耐久性參數(shù)和永久構(gòu)件的承載能力，明確地鐵結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。

2）地下結(jié)構(gòu)所處環(huán)境類別：根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，本地鐵工程內(nèi)部環(huán)境為濕潤(rùn)環(huán)境；鋼筋混凝土構(gòu)件正截面的裂縫控制等級(jí)為三級(jí)；中板結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件裂縫寬度≤0.3 mm。

3）外部水壓力對(duì)側(cè)墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響忽略不計(jì)。

4）驗(yàn)算在承載力極限狀態(tài)和正常使用階段極限狀態(tài)下，研究中板結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形情況。

5）結(jié)構(gòu)荷載選取：結(jié)構(gòu)荷載分恒載和活載2 部分，恒載主要為中板結(jié)構(gòu)自重、裝修荷載及站臺(tái)層樓扶梯荷載，而活載主要是人群荷載，集散區(qū)域內(nèi)的人群荷載取4 kN/m2，排除地震等特殊偶然情況產(chǎn)生的荷載，不計(jì)入計(jì)算。3 種大跨無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)尺寸及混凝土力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 3 種大跨無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)尺寸及混凝土力學(xué)參數(shù)

3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

跨中撓度對(duì)比云圖見圖1。分析圖1 可以發(fā)現(xiàn)，相比與其他位置，在圖1 中點(diǎn)①位置，對(duì)應(yīng)實(shí)際工程即為中部T 形樓梯角部位置，撓度數(shù)值最大，其中拱形支撐結(jié)構(gòu)及平板斜撐結(jié)構(gòu)跨中撓度數(shù)值約為4 mm，而變截面厚板結(jié)構(gòu)跨中撓度數(shù)值最大，達(dá)15.4 mm。由此可知，在3 種無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)中，拱形支撐結(jié)構(gòu)與平板斜撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布較為均勻，結(jié)構(gòu)變形量控制效果好。就跨中彎矩分析，3 種無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)形式跨中彎矩最大位置均為非開洞段中部，跨中彎矩大小為變截面厚板結(jié)構(gòu)＞平板斜撐結(jié)構(gòu)＞拱形支撐結(jié)構(gòu)彎矩，分別為302 kN·m、108 k N·m、64 kN·m。而支座彎矩和剪力方面，3 種無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)形式支座彎矩和剪力最大處分別為非開洞段端部和中板兩端，變截面厚板支座彎矩和剪力值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其中2 種結(jié)構(gòu)形式。

圖1 跨中撓度對(duì)比云圖

總的來(lái)說(shuō)，在相同荷載的前提下，3 種無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)中，拱形支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布最為均勻，支座彎矩與剪力值??；其次為平板斜撐結(jié)構(gòu)，平板斜撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布略差于拱形支撐結(jié)構(gòu)；最后是變截面厚板結(jié)構(gòu)。

在3 種無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)中，變截面厚板結(jié)構(gòu)跨中彎矩、支座彎矩及剪力值最大值都出現(xiàn)在非開洞段，故開洞段的相應(yīng)數(shù)值就較小，而這種情況又增加了懸挑板端部的荷載，進(jìn)一步降低開洞段內(nèi)力，影響開洞段中板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因而可優(yōu)化孔邊梁，同時(shí)實(shí)施結(jié)構(gòu)配筋。

4 無(wú)柱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)及應(yīng)用

4.1 施工技術(shù)

本地鐵暗挖車站大跨無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)施工工藝選擇順作法，搭設(shè)腳手架，輔助小模板完成施工，把握技術(shù)要點(diǎn)。主要施工技術(shù)要點(diǎn)有如下6 點(diǎn)：

1）設(shè)置軌頂風(fēng)道的地鐵線路段選擇標(biāo)號(hào)為C35 的混凝土作為施工原料，敷設(shè)鋼筋保護(hù)層，保護(hù)層厚度應(yīng)達(dá)30 mm。

2）確定鋼筋錨回長(zhǎng)度。

3）中板底部支撐結(jié)構(gòu)澆筑作業(yè)應(yīng)確保一次成型，若設(shè)置了軌頂風(fēng)道且上部平板位置需施作二次澆筑，應(yīng)處理好施工縫。

4）與軌頂風(fēng)道連接位置的預(yù)埋件埋設(shè)完成后，才能開展中板主體結(jié)構(gòu)與中板梁的施工。

5）科學(xué)設(shè)計(jì)孔邊梁，規(guī)避遠(yuǎn)離軌頂風(fēng)道風(fēng)孔。

6）針對(duì)大跨無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)與設(shè)備區(qū)相交界位置，應(yīng)采取個(gè)性化設(shè)計(jì)，遵循科學(xué)設(shè)計(jì)原則，靈活選擇加強(qiáng)縱向分布筋或設(shè)置誘導(dǎo)縫的處理方法，若交界位置站臺(tái)層房間防水要求嚴(yán)格，則必須選擇加強(qiáng)縱向分布筋的處理方式。

4.2 大跨無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用

在地鐵1 號(hào)線施工中，拱形支撐結(jié)構(gòu)形式和平板斜撐結(jié)構(gòu)形式取得了良好應(yīng)用效果，站廳層大跨無(wú)柱結(jié)構(gòu)形式內(nèi)力分布均勻，穩(wěn)定性好[2]。正在施工建設(shè)的6 號(hào)線及小村莊站以11 m 為標(biāo)準(zhǔn)寬度，同樣設(shè)計(jì)為無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)。

在比較3 種無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)平板斜撐結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)勢(shì)最為突出，推廣價(jià)值較高，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布均勻，變形控制效果好且能夠靈活適應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)。而變截面厚板結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)內(nèi)力大，跨中撓度控制難度大等不足，但同時(shí)也具有占用空間小的優(yōu)點(diǎn)，能良好滿足未設(shè)置軌頂風(fēng)道的地鐵線路的施工需要，同樣具有推廣價(jià)值。

4.3 結(jié)論

1）以Midas CTSNX 軟件為分析平臺(tái)，分模塊完成3 種無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)的建模，同時(shí)采用有限元計(jì)算分析中板結(jié)構(gòu)內(nèi)力、跨中撓度等數(shù)值。經(jīng)測(cè)算，在荷載情況一致的前提下計(jì)算結(jié)果表明：相同荷載條件下，3 種無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況依次為平板斜撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力＜拱形支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力＜變截面厚板結(jié)構(gòu)，平板斜撐內(nèi)力分布最優(yōu)。

2）變截面厚板結(jié)構(gòu)內(nèi)力大，變形控制效果有限，但占用站臺(tái)空間小，對(duì)施工質(zhì)量要求較高，適應(yīng)于未設(shè)置軌頂風(fēng)道的地鐵線路。

3）綜合比較3 種結(jié)構(gòu)形式，在設(shè)置軌頂風(fēng)道的地鐵線路中最適宜應(yīng)用平板斜撐結(jié)構(gòu)形式，而在未設(shè)置軌頂風(fēng)道的地鐵線路中，變截面厚板結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)更加突出，同樣具有推廣應(yīng)用以及研究的價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，大跨無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)類型，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外暗挖車站以及明挖車站中得到了廣泛應(yīng)用，但對(duì)于暗挖車站站臺(tái)層無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)的研究仍然處于初步階段。本文依托實(shí)際工程，以Midas CTSNX 軟件和三維建模為基礎(chǔ)，對(duì)大跨暗挖車站無(wú)柱中板結(jié)構(gòu)內(nèi)力和施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，希望能為廣大同行提供參考。