烏魯木齊地鐵地下三層中庭式分叉高柱車站結構設計

宋 杰

(中鐵上海設計院集團有限公司， 200070， 上海//高級工程師)

中庭式車站作為地上建筑的先進設計理念,引入地鐵領域后，在顯著提升地下空間的建筑通透性、改善乘客心理舒適度的同時，也帶來了結構設計的一系列難題。目前，北京、上海、深圳、南京等城市已建成少量中庭式車站，國內學者對其結構設計也做了一定的研究。文獻[1-2]分別介紹了上海、南京第一座中庭式車站的結構設計特點和難點;文獻[3]對中庭式車站提出了3種結構優化方案，并做了對比分析；文獻[4]介紹了頂、中板均打開的隱柱式中庭地下車站結構設計方案；文獻[5]以北京地鐵6號線新華大街站為工程背景，對大跨度Y形柱地鐵車站結構地震反應做了深入研究。

綜上案例調研及資料搜集，目前國內中庭式車站基本以地下兩層、標準雙柱三跨島式車站為主，中庭開孔設置在地下一層中板中跨，兩側邊跨仍保留中板板帶。北京地鐵6號線新華大街站則采用了中庭兩側僅保留部分懸臂板帶、中柱采用Y形鋼管混凝土高柱的設計。烏魯木齊(以下簡稱“烏市”)地鐵1、5號線國際機場站為地下三層平行換乘車站，其采用了地下一層設置中庭、鋼筋混凝土分叉高柱等新穎設計，系國內首例。現簡要介紹其主要結構設計方案、計算對比及抗震分析等。

1 工程概況

烏市地鐵國際機場站(以下簡稱國際機場站)位于機場T2航站樓南側地面停車場下方，系地鐵1號線工程的終點站，以及與遠期5號線(中間站)的換乘站，同時又是與機場航站樓的接駁換乘站。車站站型為地下三層、一島兩側平行換乘站。車站主體縱向外包長度179.1 m，寬度41.7 m，底板埋深約23.5 m。

國際機場站定位為烏市機場門戶站和區域交通樞紐站，因此建筑設計力求開敞、大氣，并充分體現新疆特有的人文與地理文化。經多方案研究分析，最終采用了地下一層設備層、地下二層站廳層、地下三層站臺層的非常規建筑布置，并在車站地下一層中部開孔形成中庭的方案。

2 工程地質與水文地質

國際機場站地處烏市北部片區，地勢相對平坦，巨厚的無水卵石地層是其顯著特點。場地地表廣泛分布雜填土，層厚0.5～4 m；其下即為卵石層，鉆孔深度50 m以上未見底。卵石層呈深灰色，成份以砂巖、灰巖為主，渾圓狀，磨圓度較好。其粒徑組成中,2～20 mm粒徑約占20%，20～60 mm粒徑約占45%，大于60 mm粒徑約占15%；余為礫砂與粉黏粒充填，局部含漂石，最大粒徑大于110 mm。其中，中密卵石埋深在8 m以上，呈中密狀，巖土施工工程分級為Ⅲ級硬土；密實卵石埋深在8 m以下，呈密實狀，巖土施工工程分級為Ⅳ級軟石。土層物理力學特性指標見表1。

表1 土層物理力學特性指標

烏市系典型的貧水地區，場區卵石層滲透系數達40～45 m/d，地表及地下水基本均自然滲流到地層深部，勘察期間勘探深度50 m內未見地下水。

3 車站標準段橫斷面結構設計

國際機場站主體結構縱向長度179.1 m，中庭縱向長度51 m。主體結構按照標準段和中庭段兩種不同的斷面型式進行設計。

3.1 標準段橫斷面設計

標準段結構型式為地下三層、三柱四跨鋼筋混凝土箱型結構，頂板覆土厚度2.4 m，底板埋深23.4 m。公共區縱向柱距9 m，橫向柱距分別為11.05 m和9.1 m。場區地層主要為無水卵石層，不考慮水壓力，靜止側壓力系數僅0.26～0.30，因此本站雖為地下三層站，但側墻及底板均較其他地區類似車站做減薄設計。標準段橫斷面如圖1所示。

單位：mm

圖1 標準段橫斷面圖

3.2 標準段橫斷面靜力荷載計算

根據經驗，地鐵車站主要板墻構件尺寸及配筋一般由裂縫控制，荷載控制組合為準永久組合并計其長期作用影響。計算時側墻僅考慮土壓力，底板僅考慮地基反力，不考慮水浮力。主要內力計算結果如圖2所示。

a) 彎矩圖b) 剪力圖

c) 軸力圖d) 位移圖

圖2 標準段橫斷面內力圖

4 車站中庭段橫斷面結構設計

4.1 地下一層中庭平面設計

中庭設置在地下一層設備層中部偏右的位置，即位于地下二層站廳層上方，形成頂部開敞空間。橫向中間兩跨為中庭開孔(長51 m、寬17.4 m)，中庭內柱子為分叉高柱,兩個邊跨各保留11.5 m寬的板帶。中庭平面布置如圖3所示。

4.2 中庭段結構整體方案比選

目前,國內中庭車站多為標準雙柱三跨車站，寬度約20 m，開設中庭后由于兩個邊跨板帶寬度較窄，故抗彎剛度較弱，抵抗側向變形能力不足。在向水、土壓力作用下，結構整體向內壓縮變形，由此引起側墻在板角點處產生的負彎矩、跨中正彎矩及剪力等大幅增大，同時中庭邊緣處柱子水平位移、彎矩及剪力亦有一定增大，容易造成柱子承載能力不足或失穩破壞，需要采取結構加強措施。中庭段可供選擇的結構整體方案有：中板加厚直接抵抗水平力、側墻外擴設置豎向肋柱、中庭兩側中板與側墻分離等方案。

圖3 中庭布置平面圖

國際機場站是一島兩側平行換乘車站，站型為三柱四跨，結構寬度達41.7 m。中部兩跨開設中庭，兩個邊跨各保留寬度為11.5 m的板帶，與中庭縱向開洞長度46 m(考慮孔邊設置加腋后的折算長度)相比，側邊板帶高跨比約1∶4，滿足常規水平框架梁的高跨比要求，抗彎剛度相對較大，且側向無水壓力荷載，故采取中庭側邊板帶加厚直接抵抗水平力的整體方案。

4.3 中庭段橫斷面設計

中庭段的覆土厚度、底板埋深基本同標準段。地下一層中板中間兩跨為中庭開孔，板厚加厚至600 mm。中庭內一排柱子高度達12.3 m，采用鋼筋混凝土柱，上部設置分叉小柱(高度4.7 m)減小長細比，以提高柱子承載能力和穩定性。分叉中柱截面尺寸為800 mm×1 400 mm，兩側分叉小柱截面尺寸為600 mm×600 mm，柱頂增設頂縱梁(800 mm×1 300 mm)。中柱考慮分叉小柱的橫向支座約束作用后，長細比約12左右，屬合理范圍。兩排邊柱為700 mm×1 500 mm。其余均基本同標準段。中庭段橫斷面如圖4所示。

如圖5所示，采用設置中庭、中柱分叉高柱等特色結構設計后，站廳層結構凈高達12.3 m，公共區開敞通透，裝修設計結合分叉高柱采用天山雪蓮造型，極富藝術性，充分體現了國際機場站作為烏市機場門戶站所應具備的開敞大氣和地域文化特色。

4.4 中庭段橫斷面靜力荷載計算

國際機場站中庭段側邊板帶由于水平抗彎剛度較大，結構整體仍基本呈單向板受力體系，故仍以橫斷面計算分析受力，但需考慮側邊板帶作為水平框架梁約束變形的剛度貢獻，計算中以等效水平彈簧模擬，施加在中庭側邊板帶與邊柱的連接點處。實際設計中用局部三維有限元建模內力計算做校核。主要內力計算結果如圖6所示。

單位：mm

圖4 中庭段橫斷面圖

a) 中庭結構實景圖

b) 中庭裝修效果圖

4.5 與標準橫斷面計算結果對比分析

4.5.1 中庭引起的結構內力、位移變化

由中庭段和標準段的內力計算結果比較可知：

(1) 中庭所在地下一層中板發生向內水平位移增大。其中：中庭與側墻節點處由0.4 mm增大到1.7 mm，中庭與邊柱節點處由0.1 mm增大到1.5 mm，增幅相對較大，但水平位移絕對值屬合理范圍。

(2) 水平位移增大引起側墻由兩跨連續墻受力體系向單跨體系轉變的趨勢，并相應引起頂板—地下二層板范圍結構內力重新調整。其中：地下一層側墻墻頂、地下二層側墻墻底兩個節點處彎矩、剪力增大(最大增幅約20.4%)；地下一層側墻墻底節點處彎矩由約為零變為較大正彎矩(255 kN·m)；地下二層墻頂節點處的負彎矩、剪力減少(最大減幅約20.2%)。

a) 彎矩圖b) 剪力圖

c) 軸力圖d) 位移圖

圖6 中庭段橫斷面內力圖

(3) 中庭對底板內力影響較小。

(4) 邊柱處標準段橫斷面彎矩、剪力幾乎為零，中庭段橫斷面出現彎矩78 kN·m/m和剪力20 kN/m。

4.5.2 分叉高柱引起的結構內力、位移變化

(1) 中柱、邊柱豎向位移均略微增大，分叉中柱軸力增大約3.6%，邊柱軸力減少約9.4%。

(2) 分叉中柱顯著改善了頂板兩個中跨的受力。其中：頂板中跨正彎矩幾乎減為零；中柱頂負彎矩、剪力大幅減小；邊柱頂負彎矩、剪力減小(最大減幅約15.6%)。

(3) 底板中柱底負彎矩、剪力增大(最大增幅約38.9%)；邊柱底負彎矩、剪力增大(最大增幅約12.8%)；底板中跨正彎矩減小(最大減幅約3.1%)。

經計算，中庭斷面板、墻各截面抗剪均滿足要求，不必額外增大截面，其彎矩增幅均可通過調整配筋解決。宜適當增大柱截面以承載邊柱處產生的附加彎矩和剪力。由此可見，國際機場站由于中庭側邊板帶水平框架梁作用較明顯，設置中庭雖引起結構內力、位移發生了一定變化，但幅度基本在結構承載能力范圍內。因此，中庭斷面采取中板側邊板帶加厚直接抵抗水平力的整體方案是合理可行的。

對其他車站，如中庭側邊板帶寬度不足、水平框架梁作用較弱時，則應充分重視上述變化，尤其是邊柱的承載能力驗算，應結合計算采取其他類型整體方案或結構加強措施。

5 車站三維抗震分析

烏市抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第二組，地震動峰值加速度為0.20g，反應譜特征周期0.40 s。車站主體結構抗震設防為重點設防類(乙類)，抗震等級為二級。抗震設防目標為：①結構在遭受相當于本工程抗震設防烈度的地震(E2地震動作用)影響時，不破壞或輕微破壞，應能夠保持其正常使用功能，結構處于彈性工作階段，不應因結構的變形導致軌道的過大變形而影響行車安全；②結構在遭受高于本工程抗震設防烈度的罕遇地震(高于設防烈度1度，E3地震動作用)影響時，地下結構主要支撐體系不發生嚴重破壞，經修補，短期內應能恢復其正常功能，結構局部進入彈塑性工作階段。

考慮到烏市抗震設防烈度高，且國際機場站為地下三層帶中庭車站，設計采用時程分析法對本站進行了三維建模抗震分析，分析軟件為MIDAS-GTS。計算模型的側面人工邊界距地下結構的距離不小于3倍地下結構水平有限寬度，底面人工邊界宜取至設計地震作用基準面且距結構的距離不小于3倍地下結構豎向有效高度。車站三維模型如圖7所示。分析中，模型結構的土體采用實體單元，墻、板采用板單元，梁、柱采用梁單元。巖土的本構模型采用摩爾-庫倫模型。邊界采用粘彈性人工邊界進行模擬。根據地震安評報告中提供的不同重現期地震動時程樣本，以時程荷載的方式施加地震作用。

a) 地層-車站整體模型

b) 車站主體模型

圖8、9分別為E2地震動作用下地下一層板彎矩云圖和E3地震動作用下車站位移云圖。由圖8～9可知：

(1) 在設防地震作用下，中庭開洞兩側邊板帶、邊柱與地下一層中板交點、分叉中柱柱頂等處出現一定應變突變，表明中庭開洞后這些部位成為本站抗震不利薄弱環節，細部設計應采取相應加強措施。同時，結構整體仍處于彈性工作階段，經驗算地震工況對構件截面尺寸和配筋不作控制，柱子軸壓比均不超過0.75的限值，抗震設計的重點是加強抗震構造措施。

(2) 在罕遇地震作用下，車站層間位移角均未超過1/250的限值，可以認為結構局部處于彈塑性工作階段，但損壞情況處于可修的范圍之內。

圖8 地下一層板彎矩云圖(E2地震動作用下)

圖9 車站位移云圖(E3地震動作用下)

6 中庭式分叉高柱結構加強細部設計

6.1 中庭

由前述分析可知，需對中庭處結構采取剛度及構造加強措施，盡量減小中庭處結構變形，控制內力增幅，以保證結構安全。國際機場站采取的加強措施主要有：①地下一層板(中庭開孔板)厚度由標準段的500 mm加大為600 mm；②中庭開孔4個角點設置5 m×5 m加腋，以減小中庭開孔尺寸，改善角點受力;③中庭周邊設置水平加強圈梁體系(寬3 000 mm×高700 mm)，同時橫向圈梁向兩側延伸到側墻以起到一定的支座作用；④側墻與地下一層板加腋加大到500 mm×1 000 mm，并設置加強水平框架梁(寬1 900 mm×高900 mm)；⑤中庭側邊柱截面加大以提高抗側力能力，由標準區段的地下一二層700 mm×1 200 mm、地下三層700 mm×1 400 mm，加大至車站全長700 mm×1 500 mm，地震荷載工況下軸壓比約0.66；⑥結合計算采取板、墻配筋加強,邊柱主筋加強,箍筋全長加密等措施。中庭結構加強設計平面如圖10所示。

圖10 中庭結構加強設計平面詳圖

6.2 分叉高柱

分叉高柱節點詳圖如圖11所示。由圖11可知，分叉高柱采取的措施為：①適當加大分叉中柱截面以提高軸壓比裕量，標準段地下一二層、地下三層中柱截面分別由700 mm×1 200 mm、700 mm×1 400 mm加大至車站全長800 mm×1 400 mm，地震荷載工況下軸壓比約0.62；②兩側分叉小柱截面采用600 mm×600 mm，分叉小柱與中柱、頂板角點處均設置加腋及構造加強鋼筋以改善節點受力性能；③結合計算采取柱主筋加強以及箍筋全長加密等配筋加強措施。

圖11 分叉高柱節點詳圖

7 結論

國際機場站作為國內首例設置中庭、鋼筋混凝土分叉高柱的地下三層平行換乘車站，其特殊的結構設計為建筑采用公共區開敞大空間及藝術化裝修創造了條件，可為后續類似項目提供借鑒。

(1) 中庭式車站的結構設計重點為控制中庭，尤其是邊柱處的結構側向位移。可根據車站的具體結構型式，合理選擇中板加厚直接抵抗水平力、側墻外擴設置豎向肋柱、中庭兩側中板與側墻分離等整體方案。

(2) 經橫斷面靜力荷載計算及三維有限元抗震分析可知，國際機場站由地下一層中板中庭開洞引起的結構受力及抗震性能薄弱部位主要為：中庭兩側邊板帶、邊柱與地下一層中板交點以及分叉高柱柱頂等處。地震荷載工況基本不控制結構構件尺寸及配筋，荷載控制組合為準永久組合(并計及長期作用影響)。結構設計的重點是針對上述薄弱部位做結構加強設計，以及采取必要的抗震構造加強措施。

(3) 針對與本站類似的大寬度、多跨式開中庭車站，可優先采用中庭側邊板帶加厚直接抵抗水平荷載的方案，但應核算側邊板帶作為水平框架梁抵抗水平荷載的能力，控制其高跨比在合理范圍內。細部設計可采取中庭四角設加腋、中庭孔邊設置水平封閉圈梁、中庭側邊柱加大截面控制軸壓比以及結構配筋加強等加強措施。

(4)位于中庭內的柱子由于高度較大，需要控制其軸壓比和長細比，可采取上部設置分叉柱、柱截面適當加大以及結構配筋加強等加強措施。