與地下綜合體合建的 大跨無柱地鐵車站結構設計

牛 斌

（北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037）

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，很多城市結合軌道交通進行了一體化開發(fā)，使得軌道交通由單純交通空間向公共活動復合空間轉變[1]。近年來，國內(nèi)地下綜合體有珠海橫琴口岸區(qū)地下綜合體和快捷交通系統(tǒng)、廣州珠江新城地下環(huán)路和交通島走廊及旅客地下自動輸送系統(tǒng)、杭州市錢江新城超大型地下車庫建設等。大跨無柱地鐵車站空間高、視野開闊、客流流線順暢，尤其是采光天窗的設置不再給乘客壓抑感。從早期的上海軌道交通1 號線衡山路站，到后期廣州地鐵大量無柱車站的出現(xiàn)，很多學者對大跨無柱車站進行了研究。楊秀仁等[2]在地鐵車站工程中研究并成功應用了預制裝配技術，對大型地下結構預制裝配新技術研究策略進行了全面深入的分析和探討。楊成蛟等[3]對明挖現(xiàn)澆式無柱拱形地鐵車站進行了力學性能、建筑空間、管線綜合等方面的研究。胡雙平等[4]對無柱大跨地鐵車站的抗震性能進行了振動臺試驗研究。史海歐[5]對與地鐵相結合的綜合管廊和新型無柱車站的設計方案進行了研究。石家莊CBD 大跨無柱地鐵車站與地下綜合體合建，其結構型式和受力與整體工程密不可分。下面對設計方案、受力情況和結構措施進行論述，其研究思路可以為后續(xù)軌道交通一體化開發(fā)提供借鑒。

1 工程概況

石家莊中央商務區(qū)北區(qū)地下公共空間項目的建筑面積13.9 萬m2，結構東西向長135～235 m，南北向長約570 m。結構覆土3 m，地下1 層層高6.35 m，地下2 層層高4.1 m，主要包括服務周邊商務地塊的配套商業(yè)、汽車庫、能源中心、智慧中心、市政環(huán)廊、人防工程及地鐵車站，圖1 所示為地下空間的南北向縱剖面。地鐵部分為地下3 層明挖島式車站，車站公共區(qū)為大跨無柱結構，中間5 跨為3 層通高，兩邊各4 跨為2 層通高，設備區(qū)為雙柱車站，圖2 所示為公共區(qū)結構縱剖面。地層從上至下依次為雜填土、 黃土狀粉質(zhì)黏土、黃土狀粉土、細砂、中砂、粉質(zhì)黏土、粉土、細砂、中砂、粉質(zhì)黏土、中粗砂、含卵石中粗砂。2 層底板大部分位于粉質(zhì)黏土層，地鐵底板大部分位于中砂層?，F(xiàn)狀水位在自然地面下43.0 m，遠期抗浮水位在地面下12.3 m。

圖1 地下公共空間縱剖面 Figure 1 Longitudinal section view

圖2 公共區(qū)結構縱剖面 Figure 2 Longitudinal section of public area

2 設計方案

2.1 結構設計

地鐵、管廊及相關區(qū)域的結構設計使用年限為100 年，其余地下空間部分的設計使用年限為50 年。地下結構抗震設防烈度7 度，抗震等級為三級，其中地鐵公共區(qū)大跨段區(qū)域及兩側各2 跨的構造措施為二級，其余段抗震構造措施為三級。地下綜合體整體不設置變形縫，工程與周邊高層地塊連接處設置變形縫。

地下公共空間基礎采用平板式筏基+下柱墩，結構型式為框架結構，縱向柱跨8.4 m，公共區(qū)中部5 跨為3 層通高，結構凈寬22.3 m，最大結構凈高22.1 m，其中中部3跨設置采光天窗，開口凈尺寸為5 m×24.4 m，采光天窗用滑軌式人防門進行水平封堵，如圖3 所示。兩邊各4 跨為2 層通高，最大結構凈高15.4 m，如圖4所示。

圖3 3 層通高處結構斷面 Figure 3 Structural section of the 3-storey through height

圖4 2 層通高處結構斷面 Figure 4 Structural section of the 2-storey through height

2.2 重難點分析

1) 地鐵車站位于景觀公園下方，結構頂板上方需滿足種植要求，無柱車站豎向荷載較大且頂板無法起拱，大跨無柱結構豎向力傳力是工程的重難點。

2) 底板跨度大，在遠期工況土(水)荷載作用下需解決結構抗浮和底板受力問題。

3) 地下綜合體周邊均有開發(fā)地塊，地下室結構之間水平凈距僅0.6 m，地下空間結構側向土壓力無法進行有效傳遞，需對側向有無土(水)壓力時的內(nèi)力和變形進行包絡設計，并采取構造措施。

4) 地下綜合體規(guī)模較大，車站長度較長，由于功能限制無法設置變形縫，需要解決地下結構施工和使用期間的溫度應力。

3 計算分析

車站東側緊鄰開發(fā)地塊，且距離開發(fā)地塊的地下室僅0.6 m，側向土(水)壓力按照周邊有地下室和無地下室進行包絡計算。采用MIDAS/Gen 軟件，進行三維有限元整體計算分析。

3.1 頂板受力分析

頂板開洞處板和梁受到的彎矩與剪力均較小，彎矩、剪力最大值出現(xiàn)在地鐵側墻對應的頂板梁及頂板。由于受開洞影響，開洞范圍內(nèi)的梁和板出現(xiàn)拉力；由于斜撐的“拱效應”，導致開洞與未開洞的交接處梁與板所受的軸力較大，如圖5 所示。

3.2 中板受力分析

中板開洞及2 層通高處中板所受的彎矩與剪力均較小。由于“拱效應”存在，兩邊斜撐中部位置的梁和板軸力較大，且斜撐正上方的梁和板出現(xiàn)拉力，如圖6 所示。

3.3 斜撐受力分析

如圖7 所示，斜撐所受彎矩及剪力相對較小，3層通高處斜撐軸力8 865 kN，2 層通高處斜撐軸力13 339 kN。由于地下公共空間2 層為停車庫，層高相對較小，斜撐與中板的角度較小，且相對于3 層通高處荷載較大，從而導致2 層通高處斜撐軸力較大。

圖5 頂板梁及頂板軸力圖 Figure 5 Axial force of beam and plate of roof plate

圖6 中板梁及中板軸力圖 Figure 6 Axial force of beam and plate of middle plate

圖7 斜撐彎矩與軸力 Figure 7 Bending moment and axial force of diagonal brace

本工程采用加密斜撐的方式，解決了2 層通高處斜撐軸力大的問題，除在上部結構柱下方設置斜撐外，柱跨中部也設置了一道斜撐，同時增大了中縱梁尺寸，可以有效地減小斜撐軸力。

3.4 結構變形分析

如圖8 所示，考慮側向土(水)壓力時，3 層通高處結構的水平變形最大，達3.4 mm。無側向土(水)壓力時，底板中部的最大豎向變形為8 mm，2 層通高處頂板的最大豎向變形為11 mm。

圖8 結構變形 Figure 8 Structural deformation

從受力計算可以看出，斜撐以受壓為主，所起作用與結構柱類似。但是，由于斜撐的存在，使斜撐上方的結構梁、板產(chǎn)生拉力(尤其是頂板開洞范圍)，同時由于“拱效應”的存在，使得兩斜撐之間的梁、板所受的壓力較大，應從構造上予以加強。

從變形計算可以看出，結構在無側向土(水)壓力時，豎向變形較大。水平約束的存在，對于頂、底板的豎向變形有較好的控制作用，因此地下空間結構與周邊地塊地下室之間的空隙回填應密實，從而確保大跨無柱車站有較好的側向約束。

4 結構措施

4.1 抗浮措施

工程現(xiàn)狀水位低，遠期抗浮設防水位為地下12.3 m，位于地下2 層底板附近。地鐵車站采用“坑中坑”范圍內(nèi)的圍護樁兼作抗浮樁。

4.2 底板起拱

大跨無柱地鐵車站頂板及中板通過斜撐將豎向荷載進行水平傳遞，由于受功能限制，底板無法采用斜撐，所以可加大底板厚度或設置抗拔樁，也可以采用變截面起拱的方式。本工程底板采用三心圓變截面起拱方式，以減小底板以及底板與側墻交接處的受力。

4.3 斜撐構造

由前述分析可知，斜撐所受的軸力較大，因此應確保斜撐處的水平傳力。3 層通高處，斜撐支撐在B1層結構底板位置，2 層通高處，斜撐支撐在B2 層結構底板位置，且周邊高層地下室在結構板位置回填混凝土，以確保斜撐水平力的傳遞。

此外，由于斜撐的存在，會形成“拱效應”，在使中跨梁和板軸力加大的同時，也會使車站范圍內(nèi)兩邊跨(斜撐正上方位置)的梁和板產(chǎn)生拉力，因此在2 層和3 層通高處，斜撐上方均通長設置橫梁(頂板3 跨開洞范圍除外)，以防止裂縫的產(chǎn)生。

4.4 溫度應力

工程體量大，且由于使用功能限制，無法設置變形縫，溫度應力通過增加附加鋼筋及后澆帶的方式解決。后澆帶的合攏溫度控制為5～15℃，后澆帶的合攏時間為60 d，根據(jù)變溫層內(nèi)不同深度的地溫近似計算公式[6-7]，得到深度2.9 m 時的綜合溫差為8.36℃，深度9.4 m 時的綜合溫差為5.8℃。根據(jù)綜合溫差，并考慮組合系數(shù)，B1 層板兩個方向的附加鋼筋為325 m2/m，墻附加鋼筋為110 m2/m，B2 層板兩個方向的附加鋼筋為39 m2/m，B2 墻不需要附加鋼筋。同時，工程在施工期間，采用縱、橫向每間隔50～80 m 設置后澆帶。

5 結語

1) 石家莊中央商務區(qū)北站與地下空間綜合體合建，目前主體結構已實施完成，結構安全和變形控制效果良好。

2) 地鐵車站與地下綜合體合建時，可以通過斜撐代替結構柱，實現(xiàn)大跨無柱空間結構。

3) 斜撐與結構板的角度應盡量加大，斜撐應有連續(xù)的水平支撐；斜撐“拱效應”的存在會使部分結構產(chǎn)生拉力，應進行核算并通過構造措施解決。

4) 采用變截面拱或者增設抗拔樁，以減小底板及底板與側墻連接處的受力。

5) 結構無法設置變形縫時，可采用增加附加鋼筋和后澆帶來解決溫度應力問題。