與地下綜合體合建的 大跨無(wú)柱地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牛 斌

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)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(jié)合軌道交通進(jìn)行了一體化開(kāi)發(fā)，使得軌道交通由單純交通空間向公共活動(dòng)復(fù)合空間轉(zhuǎn)變[1]。近年來(lái)，國(guó)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(dòng)輸送系統(tǒng)、杭州市錢江新城超大型地下車庫(kù)建設(shè)等。大跨無(wú)柱地鐵車站空間高、視野開(kāi)闊、客流流線順暢，尤其是采光天窗的設(shè)置不再給乘客壓抑感。從早期的上海軌道交通1 號(hào)線衡山路站，到后期廣州地鐵大量無(wú)柱車站的出現(xiàn)，很多學(xué)者對(duì)大跨無(wú)柱車站進(jìn)行了研究。楊秀仁等[2]在地鐵車站工程中研究并成功應(yīng)用了預(yù)制裝配技術(shù)，對(duì)大型地下結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配新技術(shù)研究策略進(jìn)行了全面深入的分析和探討。楊成蛟等[3]對(duì)明挖現(xiàn)澆式無(wú)柱拱形地鐵車站進(jìn)行了力學(xué)性能、建筑空間、管線綜合等方面的研究。胡雙平等[4]對(duì)無(wú)柱大跨地鐵車站的抗震性能進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。史海歐[5]對(duì)與地鐵相結(jié)合的綜合管廊和新型無(wú)柱車站的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究。石家莊CBD 大跨無(wú)柱地鐵車站與地下綜合體合建，其結(jié)構(gòu)型式和受力與整體工程密不可分。下面對(duì)設(shè)計(jì)方案、受力情況和結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行論述，其研究思路可以為后續(xù)軌道交通一體化開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 工程概況

石家莊中央商務(wù)區(qū)北區(qū)地下公共空間項(xiàng)目的建筑面積13.9 萬(wàn)m2，結(jié)構(gòu)東西向長(zhǎng)135～235 m，南北向長(zhǎng)約570 m。結(jié)構(gòu)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(wù)周邊商務(wù)地塊的配套商業(yè)、汽車庫(kù)、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(wú)柱結(jié)構(gòu)，中間5 跨為3 層通高，兩邊各4 跨為2 層通高，設(shè)備區(qū)為雙柱車站，圖2 所示為公共區(qū)結(jié)構(gòu)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(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)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(yuǎn)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(jié)構(gòu)縱剖面 Figure 2 Longitudinal section of public area

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地鐵、管廊及相關(guān)區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100 年，其余地下空間部分的設(shè)計(jì)使用年限為50 年。地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度7 度，抗震等級(jí)為三級(jí)，其中地鐵公共區(qū)大跨段區(qū)域及兩側(cè)各2 跨的構(gòu)造措施為二級(jí)，其余段抗震構(gòu)造措施為三級(jí)。地下綜合體整體不設(shè)置變形縫，工程與周邊高層地塊連接處設(shè)置變形縫。

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

圖3 3 層通高處結(jié)構(gòu)斷面 Figure 3 Structural section of the 3-storey through height

圖4 2 層通高處結(jié)構(gòu)斷面 Figure 4 Structural section of the 2-storey through height

2.2 重難點(diǎn)分析

1) 地鐵車站位于景觀公園下方，結(jié)構(gòu)頂板上方需滿足種植要求，無(wú)柱車站豎向荷載較大且頂板無(wú)法起拱，大跨無(wú)柱結(jié)構(gòu)豎向力傳力是工程的重難點(diǎn)。

2) 底板跨度大，在遠(yuǎn)期工況土(水)荷載作用下需解決結(jié)構(gòu)抗浮和底板受力問(wèn)題。

3) 地下綜合體周邊均有開(kāi)發(fā)地塊，地下室結(jié)構(gòu)之間水平凈距僅0.6 m，地下空間結(jié)構(gòu)側(cè)向土壓力無(wú)法進(jìn)行有效傳遞，需對(duì)側(cè)向有無(wú)土(水)壓力時(shí)的內(nèi)力和變形進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，并采取構(gòu)造措施。

4) 地下綜合體規(guī)模較大，車站長(zhǎng)度較長(zhǎng)，由于功能限制無(wú)法設(shè)置變形縫，需要解決地下結(jié)構(gòu)施工和使用期間的溫度應(yīng)力。

3 計(jì)算分析

車站東側(cè)緊鄰開(kāi)發(fā)地塊，且距離開(kāi)發(fā)地塊的地下室僅0.6 m，側(cè)向土(水)壓力按照周邊有地下室和無(wú)地下室進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算。采用MIDAS/Gen 軟件，進(jìn)行三維有限元整體計(jì)算分析。

3.1 頂板受力分析

頂板開(kāi)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(cè)墻對(duì)應(yīng)的頂板梁及頂板。由于受開(kāi)洞影響，開(kāi)洞范圍內(nèi)的梁和板出現(xiàn)拉力；由于斜撐的“拱效應(yīng)”，導(dǎo)致開(kāi)洞與未開(kāi)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(kāi)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(yīng)”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(duì)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(kù)，層高相對(duì)較小，斜撐與中板的角度較小，且相對(duì)于3 層通高處荷載較大，從而導(dǎo)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(wèn)題，除在上部結(jié)構(gòu)柱下方設(shè)置斜撐外，柱跨中部也設(shè)置了一道斜撐，同時(shí)增大了中縱梁尺寸，可以有效地減小斜撐軸力。

3.4 結(jié)構(gòu)變形分析

如圖8 所示，考慮側(cè)向土(水)壓力時(shí)，3 層通高處結(jié)構(gòu)的水平變形最大，達(dá)3.4 mm。無(wú)側(cè)向土(水)壓力時(shí)，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(jié)構(gòu)變形 Figure 8 Structural deformation

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

從變形計(jì)算可以看出，結(jié)構(gòu)在無(wú)側(cè)向土(水)壓力時(shí)，豎向變形較大。水平約束的存在，對(duì)于頂、底板的豎向變形有較好的控制作用，因此地下空間結(jié)構(gòu)與周邊地塊地下室之間的空隙回填應(yīng)密實(shí)，從而確保大跨無(wú)柱車站有較好的側(cè)向約束。

4 結(jié)構(gòu)措施

4.1 抗浮措施

工程現(xiàn)狀水位低，遠(yuǎn)期抗浮設(shè)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(hù)樁兼作抗浮樁。

4.2 底板起拱

大跨無(wú)柱地鐵車站頂板及中板通過(guò)斜撐將豎向荷載進(jìn)行水平傳遞，由于受功能限制，底板無(wú)法采用斜撐，所以可加大底板厚度或設(shè)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(cè)墻交接處的受力。

4.3 斜撐構(gòu)造

由前述分析可知，斜撐所受的軸力較大，因此應(yīng)確保斜撐處的水平傳力。3 層通高處，斜撐支撐在B1層結(jié)構(gòu)底板位置，2 層通高處，斜撐支撐在B2 層結(jié)構(gòu)底板位置，且周邊高層地下室在結(jié)構(gòu)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(huì)形成“拱效應(yīng)”，在使中跨梁和板軸力加大的同時(shí)，也會(huì)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(zhǎng)設(shè)置橫梁(頂板3 跨開(kāi)洞范圍除外)，以防止裂縫的產(chǎn)生。

4.4 溫度應(yīng)力

工程體量大，且由于使用功能限制，無(wú)法設(shè)置變形縫，溫度應(yīng)力通過(guò)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(shí)間為60 d，根據(jù)變溫層內(nèi)不同深度的地溫近似計(jì)算公式[6-7]，得到深度2.9 m 時(shí)的綜合溫差為8.36℃，深度9.4 m 時(shí)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(gè)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(gè)方向的附加鋼筋為39 m2/m，B2 墻不需要附加鋼筋。同時(shí)，工程在施工期間，采用縱、橫向每間隔50～80 m 設(shè)置后澆帶。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 石家莊中央商務(wù)區(qū)北站與地下空間綜合體合建，目前主體結(jié)構(gòu)已實(shí)施完成，結(jié)構(gòu)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(shí)，可以通過(guò)斜撐代替結(jié)構(gòu)柱，實(shí)現(xiàn)大跨無(wú)柱空間結(jié)構(gòu)。

3) 斜撐與結(jié)構(gòu)板的角度應(yīng)盡量加大，斜撐應(yīng)有連續(xù)的水平支撐；斜撐“拱效應(yīng)”的存在會(huì)使部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉力，應(yīng)進(jìn)行核算并通過(guò)構(gòu)造措施解決。

4) 采用變截面拱或者增設(shè)抗拔樁，以減小底板及底板與側(cè)墻連接處的受力。

5) 結(jié)構(gòu)無(wú)法設(shè)置變形縫時(shí)，可采用增加附加鋼筋和后澆帶來(lái)解決溫度應(yīng)力問(wèn)題。