單柱地鐵車站典型布局特點及結構方案分析

宋元平

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

目前地鐵車站普遍采用沿縱向設置梁柱的地下箱型框架結構體系，從20世紀60年代最初開始應用至今，從早期的雙柱三跨為主到現在的單柱雙跨為主，對于該結構形式的應用積累了大量成熟的經驗，在結構跨度方面也有一定突破。單柱車站作為當前應用最為廣泛的結構形式之一，具有結構布置簡潔、站內空間利用率高、站內視覺明快通透等特點。此外，單柱車站站內售票機、閘機、票務室等公用設施的布置限制較少。同時，在單柱車站的推廣應用過程中也存在一個較為突出的問題，即單柱車站通常在中柱部位設置體量較大的中縱梁，縱梁常存在與車站機電設備、城市地下綜合管線及構筑物沖突的情況，造成縱梁局部被中斷或截面被壓縮，該部位將無法按標準段的模式進行設計，而需要對局部結構進行調整及特殊設計，以確保結構安全。通常針對上述問題可采取的方案有多種，但如何根據具體情況選擇合理可行的方案則需要具體問題具體分析。

1 車站縱梁布置的兩種方式及優缺點

城市軌道交通地下車站頂板埋深一般在3 m左右(車站埋深對造價影響較大，同時還需滿足后續地下空間開發的基本要求)，頂、底板縱梁內力較大，縱梁梁高往往達到2.0 m以上。一般情況下，縱梁有兩種設置方式，即內翻(向車站內部一側凸出結構樓板)和外翻(向車站外部一側凸出結構樓板)，對于頂板來說就是上翻和下翻，對于底板縱梁則相反。頂、底板縱梁內翻的優點是受力合理，外包防水相對易于施工和達到防水效果，也便于對縱梁進行施工；缺點是縱梁阻斷了車站內部一定高度橫向空間，不利于設備安裝和管線敷設。

而外翻的優點則是車站內部空間美觀，利于空間劃分和敷設機電設備及管線；缺點是外包防水質量不易保證，且受力稍差，需對縱梁箍筋進行加強。更重要的一方面，上翻頂板梁突出頂板部分埋深將比頂板其他部位淺1 m左右，這將阻斷部分城市地下管線穿越頂板上方，不利于后期地下空間的開發利用。

2 單柱車站電梯井居中布置的影響及三種解決的結構方案

地鐵車站的核心功能體現在公共區，該區域是控制車站規模的最重要區域之一。以下是一種常用的單柱雙跨標準站公共區的布置方式(實質上是公共區上下交通設施的布置方式)，車站公共區共布置2部上行自動扶梯、1部下行自動扶梯、2部寬1.8 m的樓梯和1臺電梯，可滿足客流進出站、無障礙設計及必要的疏散要求。出于站廳及站臺層的交通組織和安全的考慮，其中的垂直電梯和一部樓梯布置于站廳中央，為了控制車站的規模(站臺板寬度受到嚴格控制)，電梯井無法避開結構縱梁(電梯井部位頂板底面不能有結構凸出)，如圖1所示。

圖1 車站公共區平面布置圖(單位：mm)

因此，對于電梯井所在跨的結構需進行單獨設計，備選方案有如下三種：

方案一：電梯井所在跨頂板梁上翻、底板梁下翻，中板梁則在該跨兩端柱位處設置下翻橫梁，洞口周邊中板荷載傳導至橫梁，如圖2所示。

圖2 頂、底板縱梁在電梯所在跨外翻示意圖(方案一)

方案二：電梯井局部采用雙柱，將電梯井布置于中間一跨。

方案三：底板縱梁下翻；頂板縱梁采用變截面梁，柱位處增設暗梁；對車站該部位進行整體建模分析，并根據分析結果調整梁板配筋，如圖3所示。

圖3 頂板縱梁在電梯所在跨采用變截面梁示意圖(方案三)

一般情況下，方案一簡單實用，縱梁外翻所帶來的弊端是可以采取措施予以克服的：在結構受力方面，可以根據計算加強縱梁箍筋的配置；在施工方面，也可以加強控制確保施工質量和進度。因此，一般情況下均選擇該方案解決上述問題。但該方案的最大弊端在于上翻頂板縱梁對頂板上方空間的侵入及對后期地下空間開發的不良影響(比如頂板梁會阻斷埋深2 m以下市政管線橫穿道路)。方案二對結構影響最小，但卻對站廳公共區的視覺通透性及內部空間的美觀效果產生很大的負面影響，再加上規范對柱邊至站臺板邊緣凈距有限制要求，在既定站臺板寬度值內該布置方案不一定能滿足。因此，方案二較少被采用。

對于方案三，在使用功能上避免了方案一、二的缺陷，保持了車站內部空間的通透完整，同時頂板梁不需要上翻，也就不會對頂板上方地下空間的使用帶來影響，但相對來說結構處理是上述三個方案中最為復雜的，因此車站結構需要建立三維模型進行分析。在現有技術條件下，這是可以接受的，因此該方案是非常值得推廣的。下面將結合位于某座跨主干道十字路口布置的一座車站闡述方案三的具體應用。

3 街道十字路口站位布置的特點及方案三的應用實例分析

城市軌道交通為了最大限度地吸引、輸送客流，其線路一般優先沿城市主干道敷設，并優先采用跨十字路口方案，這是為了使路口四個象限的客流不用過到路對面，直接從布置于本象限的出入口進入車站，從而達到軌道交通最佳的輻射效果。出入口一般對稱于站廳公共區布置，因此，站廳公共區的中央一般就位于路口中央下方，此處也正好是公共區電梯井的所在位置。車站跨路口布置也存在一定的不利因素，最突出的問題就是施工階段十字路口的交通疏解和地下管線遷改，這兩個因素是非常關鍵的，都應妥善解決。對于交通疏解，通常需要在路口范圍設置跨車站基坑的交通疏解便橋，便橋結構位于車站頂板上方，將會壓縮頂板上方的地下空間，在該背景下，電梯井布置所帶來的結構問題采用方案三解決將是順理成章的選擇。

某地鐵車站位于市主干道與次干路交叉路口，該地段為城市繁華地段，客流量大，車站跨路口沿主干道方向布置。為滿足交通疏解，須在路口設置跨基坑的鋪蓋系統，如前所述，鋪蓋勢必位于車站公共區電梯井上方。本站頂板縱梁截面尺寸為1 300 mm×1 800 mm，電梯井部位頂板底面不能有結構凸出，因此頂板梁無法下翻；而鋪蓋采用加強型裝配式鋼橋桁架梁，鋼橋下緣與頂板之間的凈空有限，因此也不能上翻，于是只能采用上述的方案三。即采用變截面梁，電梯位置梁高漸變收平至頂板底面，留出電梯井安裝所需的空間即可，如圖4所示。

圖4 方案三二維計算結果示例圖(單位：kN·m)

電梯井沿車站縱向的外輪廓尺寸為2.4 m，考慮設備安裝操作所需的凈空尺寸，兩側各留出300 mm的凈空；同時縱梁的漸變截面構造進一步滿足安裝及檢修的空間，另外在該跨柱位處增設兩道橫向暗梁。為了較為準確地分析該部位的受力情況，擬對電梯井部位的車站結構采用SAP2000進行三維有限元分析，此外采用SATWE軟件對該部位梁柱進行對比計算。

分析過程中主要考慮水土壓力、超載及規范規定的其他荷載，采用水土分算模式。其中頂板荷載主要為水土豎向壓力及地面超載(取20 kPa)，頂板覆土約3.03 m，土重度為20 kN/m3，于是：

p0=3.03×20=60.6 kPa

中板荷載包含裝修荷載3 kPa、軌頂風道荷載3 kPa、吊頂1 kPa，此外人群荷載4 kPa。

底板荷載：不考慮車輛、站臺板支承墻、軌道等荷載，底板底面處水頭高度為15.88 m，水壓力：

p1=15.88×10=158.8 kPa

計算考慮圍護結構參與受力，土側壓力作用于圍護結構，主體結構側墻荷載主要為水側壓力。

p2=20.3～158.8 kPa

圖5 方案三三維模型內力云圖

圖6 方案三頂板彎矩云圖(單位：kN·m)

圖7 方案三頂板縱梁彎矩SATWE計算結果示例圖(單位：kN·m)

分析模型及計算結果見圖5、圖6。分析結果表明，變截面梁的跨中剛度較鄰跨梁減弱了；而柱跨中部頂板內力進行了重分布，縱向彎矩增大較多，電梯井所在跨縱向彎矩達到了450 kN·m，橫向彎矩有較小幅度的減小，設計中對車站該部位頂板縱向加強配筋。

變截面梁柱頂支座截面負彎矩增大幅度較大，跨中彎矩較一般梁跨明顯減小，SATWE軟件計算結果支座截面彎矩為M0=11 964 kN·m，SAP2000計算結果為M0=8 564.6 kN·m，SATWE軟件對梁柱的計算結果整體上比SAP2000三維有限元分析結果大，但內力分布規律與上述是一致的，如圖7所示。設計中可根據上述內力分布規律對頂板及頂板梁配筋進行相應的調整，特別需要指出的是該部位頂板縱向須加大配筋。根據后續該車站運營使用的情況，這樣處理是合理可行的。

4 結語

根據國內城市軌道交通發展的現狀來看，單柱車站在現今及未來較長一段時間內都是車站結構選型的主流。單柱車站一般跨度可達到10～15 m，在該跨度范圍內，可營造出相當美觀通透的站內公共空間，這個跨度也在結構設計可接受的范圍內。

(1)一般情況下，當車站頂板上方無深埋城市地下管線橫穿馬路(或地下管線可在附近區段穿越時，特別是在特定部位預留專門綜合管廊穿越時)單柱車站站廳中央電梯井所帶來的結構問題可采用方案一進行處理。從結構的角度來看，方案一非常簡捷實用。

(2)出于吸引客流這一主要功能的考慮，地鐵車站跨十字路口布置方案是一種非常優越的值得推廣的敷設方式，在遇到跨十字路口布置的單柱車站時，上述問題不管是出于功能角度還是結構角度，采用方案三都將是順理成章、水到渠成的，值得推廣。

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