大跨度明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

【摘要】軌道交通發(fā)展迅速，軌道交通的便捷準(zhǔn)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，地鐵成為主要的公共交通形式。常規(guī)地鐵車站內(nèi)設(shè)置中柱作為豎向支撐構(gòu)件，設(shè)置中柱后會(huì)影響車站空間利用、空間視野、建筑美觀及客流效率。通過(guò)采用大跨度結(jié)構(gòu)體系來(lái)提高地鐵車站空間利用率、空間視野、建筑美觀及客流效率。

【關(guān)鍵詞】軌道交通； 地鐵車站； 大跨度結(jié)構(gòu)； 空間利用率

【中圖分類號(hào)】U231.4【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-08-10

［作者簡(jiǎn)介］劉春宇（1988—），男，本科，工程師，從事地下工程及建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作；鄭聲杰（1988—），男，本科，高級(jí)工程師，從事建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作。

0 引言

地鐵車站結(jié)構(gòu)施工方法一般有明挖順筑法、蓋挖法順筑法、蓋挖法逆筑法、礦山法等。明挖順筑法埋置淺，結(jié)構(gòu)的整體性、結(jié)構(gòu)自防水和附加防水層防水效果可得到保證，且施工方便，工程造價(jià)低，工期容易控制，對(duì)地質(zhì)條件要求不高，有地面條件優(yōu)先采用明挖順筑法施工。由于明挖法施做的車站頂?shù)装鍨槠桨褰Y(jié)構(gòu)，板的跨度有限，車站必須設(shè)置中柱。車站內(nèi)設(shè)置中柱后會(huì)影響車站空間利用、空間視野、建筑美觀及客流效率。明挖地鐵車站大跨度結(jié)構(gòu)，可提高地鐵車站空間利用率、空間視野、建筑美觀及客流效率。

1 設(shè)計(jì)概況

目前，軌道交通發(fā)展迅速，軌道交通的便捷準(zhǔn)時(shí)等原因，地鐵成為主要的公共交通形式。地鐵車站結(jié)構(gòu)施工方法一般有明挖順筑法、蓋挖法順筑法、蓋挖法逆筑法、礦山法等。明挖順筑法埋置淺，結(jié)構(gòu)的整體性、結(jié)構(gòu)自防水和附加防水層防水效果可得到保證，且施工方便，工程造價(jià)低，工期容易控制，對(duì)地質(zhì)條件要求不高，有地面條件優(yōu)先采用明挖順筑法施工。由于明挖順筑法施工做的車站頂?shù)装鍨槠桨褰Y(jié)構(gòu)，板的跨度有限，車站必須設(shè)置中柱。車站內(nèi)設(shè)置中柱后會(huì)影響車站空間利用、空間視野、建筑美觀及客流效率。明挖地鐵車站大跨度結(jié)構(gòu)，包括結(jié)構(gòu)頂板、結(jié)構(gòu)中板和結(jié)構(gòu)底板，結(jié)構(gòu)頂板和結(jié)構(gòu)中板通過(guò)負(fù)一層側(cè)墻支撐，結(jié)構(gòu)中板和結(jié)構(gòu)底板通過(guò)負(fù)二層側(cè)墻支撐，通過(guò)負(fù)一層側(cè)墻和負(fù)二層側(cè)墻支撐連接結(jié)構(gòu)頂板、結(jié)構(gòu)中板和結(jié)構(gòu)底板，形成雙層結(jié)構(gòu)空間；結(jié)構(gòu)頂板包括平板結(jié)構(gòu)頂板和拱形結(jié)構(gòu)頂板形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，復(fù)合結(jié)構(gòu)延伸車站的整體跨度，形成雙層結(jié)構(gòu)空間內(nèi)的無(wú)柱結(jié)構(gòu)體系。常規(guī)地鐵車站設(shè)置中柱后會(huì)影響車站空間利用、空間視野、建筑美觀及客流效率，通過(guò)采用大跨度結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行提升（圖1、圖2）。

2 大跨度結(jié)構(gòu)體系地鐵車站特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)受力體系

保證安全的前提下，取消原有結(jié)構(gòu)中的受力轉(zhuǎn)換構(gòu)件頂縱梁、中縱梁、底縱梁及豎向受力體系柱子，采用拱形結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)中拱形結(jié)構(gòu)是很好的受壓結(jié)構(gòu)，可以充分發(fā)揮混凝土的受壓性能。節(jié)點(diǎn)位置往往是受力薄弱點(diǎn)，大跨度結(jié)構(gòu)體系地鐵車站取消了梁柱節(jié)點(diǎn)、梁板節(jié)點(diǎn)從本質(zhì)上提高了車站整體受力狀況。

2.2 提升空間利用率

大跨度結(jié)構(gòu)體系地鐵車站采用拱形結(jié)構(gòu)，可以將拱形結(jié)構(gòu)以下空間作為站廳層公共空間，可提供更高的層高，更好的視野和空間利用率。常規(guī)單柱地鐵車站由于結(jié)構(gòu)體系原因必須設(shè)置中柱，設(shè)置中柱后會(huì)影響整體空間使用，視野也要受到中柱影響。在相同規(guī)模下，大跨度結(jié)構(gòu)體系地鐵車站，上部采用拱形結(jié)構(gòu)，拱部以下空間可以作為站廳層使用，在不提高整體站廳層層高情況下，獲得更多的站廳層使用空間，因此大跨度結(jié)構(gòu)體系地鐵車站提供了更加經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。

2.3 地下空間資源利用更合理

地鐵大多數(shù)位于市政道路之下，對(duì)于頂板上方覆土厚度有嚴(yán)格要求（一般為3～4 m），大跨度結(jié)構(gòu)體系地鐵車站在滿足市政要求時(shí)，可對(duì)空間夾層部分進(jìn)行利用，不需要單獨(dú)增加層高即可滿足各專業(yè)需求，從而提高地下空間利用率更高。地下空間資源極其寶貴，在滿足各類要求前提下，通過(guò)大跨度結(jié)構(gòu)體系地鐵車站設(shè)計(jì)方案可以對(duì)地下空間資源進(jìn)行合理利用，避免了地下空間資源的浪費(fèi)。

2.4 方便施工

梁柱節(jié)點(diǎn)、梁板節(jié)點(diǎn)處鋼筋密集，需要細(xì)石混凝土澆筑和充分振搗，對(duì)施工人員素質(zhì)要求較高，施工質(zhì)量往往不容易把控。大跨度結(jié)構(gòu)體系地鐵車站取消梁柱體系，使施工更加方便快捷，施工質(zhì)量更容易保證。

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

采用MIDAS GEN有限元軟件模擬計(jì)算，分析相同車站規(guī)模和同等外部條件下，常規(guī)中柱地鐵車站和大跨度地鐵車站的受力情況。結(jié)構(gòu)計(jì)算采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模型。由于車站縱向較長(zhǎng)（大于2倍車站寬度），故結(jié)構(gòu)受力后基本上為平面應(yīng)變狀態(tài)，可簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算時(shí)縱向取單位長(zhǎng)度（1 m）按平面桿系有限元法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)型式下力學(xué)分析，進(jìn)行單柱常規(guī)地鐵車站和大跨度地鐵車站建模分析。具體計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

3.2 計(jì)算參數(shù)

單柱常規(guī)地鐵車站和大跨度地鐵車站計(jì)算模型選取相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，車站寬度19 m、車站高度17 m、頂板厚度800 mm、底板厚度1 000 mm及側(cè)墻厚度800 mm等，混凝土等級(jí)均采用C40混凝土。外部條件也采用相同參數(shù)，地面超載20 kPa、頂板覆土3 m、覆土容重25 kN/m3、水容重10 kN/m3、人群荷載4 kPa、設(shè)備荷載8 kPa、裝修荷載2 kPa、水平基床系數(shù)加權(quán)平均值為Kh＝100 MPa/m，垂直基床系數(shù)加權(quán)平均值為Kv＝150 MPa/m。結(jié)構(gòu)所在土層靜側(cè)壓系數(shù)加權(quán)平均值為：K0＝0.4。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

采用相同結(jié)構(gòu)參數(shù)及相同外部條件情況下，對(duì)比分析單柱常規(guī)地鐵車站和大跨度地鐵車站不同結(jié)構(gòu)形式下，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果。按照不同方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算分析結(jié)構(gòu)受力情況如圖3所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)在不同的方案下，通過(guò)計(jì)算分析在相同車站規(guī)模，相同外部環(huán)境條件下，結(jié)構(gòu)受力總體變化不大。大跨度結(jié)構(gòu)體系滿足結(jié)構(gòu)受力要求，并能保證車站安全。

方案1：常規(guī)單柱地鐵車站；方案2：大跨度結(jié)構(gòu)體系地鐵車站。對(duì)于方案1，頂板邊支座彎矩計(jì)算值664 kN·m，頂板中支座彎矩計(jì)算值580 kN·m，頂板跨中彎矩計(jì)算值404 kN·m；中板支座彎矩計(jì)算值169 kN·m，中板跨中彎矩計(jì)算值86 kN·m；底板邊支座彎矩計(jì)算值752 kN·m，底板中支座彎矩計(jì)算值733 kN·m，底板跨中彎矩計(jì)算值569 kN·m。

對(duì)于方案2，頂板邊支座彎矩計(jì)算值742 kN·m，頂板中支座彎矩計(jì)算值487 kN·m，頂板跨中彎矩計(jì)算值415 kN·m；中板支座彎矩計(jì)算值668 kN·m，中板跨中彎矩計(jì)算值337 kN·m；底板邊支座彎矩計(jì)算值1 028 kN·m，底板跨中彎矩計(jì)算值506 kN·m。

從受力分析結(jié)果比較方案1與方案2，方案2邊支座受力增加12%，中支座受力減小17%，頂板支座處和跨中計(jì)算結(jié)果相差不大，邊支座僅通過(guò)增加配筋即可保證結(jié)構(gòu)的安全；中板支座及跨中計(jì)算結(jié)果相差較大，但中板通過(guò)適當(dāng)增加截面尺寸和配筋即可保證結(jié)構(gòu)安全；方案2邊支座受力增加25%，跨中受力減小13%，底板支座處和跨中計(jì)算結(jié)果相差不大，邊支座僅通過(guò)增加配筋即可保證結(jié)構(gòu)的安全；方案1與方案2在相同規(guī)模和外部荷載條件下受力分析結(jié)果相差不大，適當(dāng)增加配筋即可保證結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)論與建議

綜上所述，大跨度結(jié)構(gòu)體系地鐵車站在提升車站品質(zhì)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以取消影響空間視野的中柱結(jié)構(gòu)，留有更多空間。大跨度結(jié)構(gòu)體系地鐵車站采用拱形結(jié)構(gòu)，將拱形結(jié)構(gòu)以下空間作為站廳層公共空間，可提供更高的層高，更好的視野和空間利用率。兩側(cè)的夾層空間可進(jìn)行各類設(shè)備管線的布置，不影響車站使用功能同時(shí)，提升地下空間利用率。本設(shè)計(jì)方案通過(guò)MIDAS GEN有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，保證結(jié)構(gòu)安全性前提下，充分利用結(jié)構(gòu)受力特性和地下空間資源，對(duì)地下車站空間進(jìn)行最大程度利用。

參考文獻(xiàn)

［1］ 楊成蛟. 12 m寬站臺(tái)明挖無(wú)柱地鐵車站結(jié)構(gòu)研究［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2019（1）：33-37.

［2］ 趙啟超. 大跨結(jié)構(gòu)在南通地鐵青年路站中的應(yīng)用［J］.江蘇建筑，2021（6）：30-33.

［3］ 趙英爽. 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)［J］.工程施工技術(shù)，2021（9）：161-163.

［4］ 朱坤朋. 無(wú)柱大跨拱形地鐵車站結(jié)構(gòu)研究分析［J］. 現(xiàn)代城市軌道交通，2021（6）：40-45.