地鐵車站開敞空間結構改造設計思路探討

劉科成

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津300308）

隨著各城市地鐵的不斷發展，地鐵車站公共區對空間的要求越來越高，逐漸從滿足基本運營條件，發展到滿足人們視覺享受，地下車站不再是千篇一律的對稱式矩形框架結構，為實現較好的藝術效果，越來越多的車站開始在空間上大膽創新，將地鐵車站打造成“地下藝術宮殿”。大跨度的空間，對理論計算及結構加強均有較高的要求，特別是前期未預留條件，后期又需要改造的項目。

本文結合武漢地鐵6號線一期工程漢正街站的改造設計，通過理論計算，分析各結構構件的加強措施，最終實現了“側跨中庭”的較好藝術效果，為今后類似工程的設計與施工起到參考作用。

1 工程概況

漢正街站為地下3層島式站臺車站，為特色藝術車站，擺脫了常規站體形式，創造了在全國地鐵中首次側跨樓板全部打開的先河［1］。見圖1。

圖1 漢正街站

根據設計方案，打開車站負一層南側側跨中板，范圍為車站南側8～16軸負一層側跨，開洞尺寸為71.96 m×14.95 m（長×寬）。由于改造影響區域負三層結構（含底板、負二層中板、負三層側墻、負三層結構柱）現場已施工，為實現該站的藝術效果，需對已實施的部分車站結構進行改造以滿足新條件下結構受力要求。本站開洞面積大，約1 075 m2；南側側墻豎向跨度大，豎向凈空11.65 m，車站結構不對稱，對結構受力影響大。見圖2和圖3。

圖2 車站標準段橫剖面

圖3 車站已施工部分與中庭開洞范圍關系

2 車站開敞空間改造設計

針對中庭方案，需對已施工結構進行改造，未施工結構進行重新復核設計，綜合考慮結構受力安全及現場施工的難易程度，采取的主要措施包括：車站底板及立柱樁改造；車站南側側墻改造；車站結構柱改造；未施工部分頂板及頂板梁加大。見圖4。

圖4 車站改造剖面

以下主要介紹負三層改造方案設計，對于未施工的負一層、負二層結構部分不再詳述。

2.1 車站底板及立柱樁改造

車站底板原設計厚度為1 200 mm，變更后車站南側底板需加厚，由于底板已施工完成，向下加厚已無可能；因此，通過調整南側軌道排水方向，將車站底板向上加厚200 mm，鑿除底板上側保護層，在既有鋼筋上鋪設一層分布筋及加強筋，加強筋設置在最外層并穿過上翻底縱梁，既有結構底板之上植入插筋，上翻底梁通過水鉆取孔將加強鋼筋穿過縱梁；臨時立柱樁原設計不兼抗拔作用，變更后通過在底板上增設縱梁將臨時立柱與縱梁錨于一起兼抗拔起安全儲備作用（理論計算不考慮其抗拔作用）；在站臺板下，除預留管線通道外回填素混凝土壓重，增加豎向作用力。見圖5和圖6。

圖5 底板改造

2.2 車站南側側墻改造

車站南側側墻負三層原設計厚度900 mm，變更后既有側墻需加厚處理，在南側負三層底板與側墻節點處增設縱梁并設置反坡使其形成剛域，以抵抗角部應力集中區；加厚側墻外側主筋需穿過既有中板并伸至結構頂板作為負一層側墻內側主筋；中板通過水鉆取孔，直徑50 mm、間距150 mm；同時在中板上取澆筑孔，直徑250 mm、間距1 500 mm；考慮到取孔可能對既有結構造成較大影響，加厚側墻內主筋不穿過中板，直接焊接于既有中板底部，新舊混凝土界面鑿毛處理，表面沖洗干凈并采取植筋加強混凝土面連接。見圖7。

圖7 南側側墻處理剖面

2.3 車站結構柱改造

車站結構柱由雙柱變單柱，已施工負三層結構柱截面不滿足結構受力要求，因此對既有結構柱進行改造，通過對增大截面加固法、外包角鋼加固法、粘鋼加固法等方法進行結構受力、現場施工難易程度、建筑建材防火要求的比選，采用增大截面加固法最可靠[2]。通過采用柱頂臨時加腋，中板取澆筑孔方法解決現場混凝土澆筑困難。變更前結構柱截面尺寸為700 mm×1 200 mm，變更后截面尺寸為900 mm×1 400 mm。

2.4 未施工部分頂板及頂板梁加大

未施工的負一層、負二層原設計頂板厚度為800 mm，側墻厚度分別為800、900 mm，板墻腋角為300 mm×900 mm，頂縱梁尺寸為1 200 mm×1 400 mm，中縱梁尺寸為1 100 mm×900 mm；側跨負一層中板打開后，經過計算，結構尺寸調整為：頂板1 200 mm，南側側墻1 300 mm，北側側墻900 mm，腋角600 mm×1 800 mm，頂縱梁1 400 mm×1 400 mm，中縱梁1 300 mm×1 200 mm。

3 開敞空間改造計算分析

根據車站結構的類型和施工方法，按照規范[3～5]對施工階段和正常使用階段進行強度計算，必要時進行剛度和穩定性計算及抗裂和裂縫寬度驗算。當計及地震或其他偶然荷載作用時可不驗算結構的裂縫寬度，按荷載的短期效應組合并考慮長期效應組合的影響。本計算中最大裂縫寬度的計算式中保護層的實際厚度超過30 mm時，取其計算值為30 mm。

結構設計所考慮的計算荷載主要有永久荷載、可變荷載和偶然荷載，按結構在使用階段可能出現的最不利情況進行荷載組合。

主體結構按橫向框架進行計算分析。板、墻、柱等構件均簡化為桿件，取每延米為一計算單元，柱的剛度按縱向柱距分配至每米計算。采用SAP2000軟件進行計算，采用“荷載-結構”模型，按平面桿系有限元法進行計算[6]。

對近期使用階段（低水位+靜止土壓力工況）、遠期使用階段（設防水位+靜止土壓力工況）及地震作用分別進行計算，計算結果顯示遠期使用階段起控制作用。結果計算顯示結構內力及撓度均滿足設計要求，采用的結構設計措施及改造措施能滿足設計要求[6]。見圖8。

圖8 計算結果

4 建議

1）對于改造的車站，方案設計時需考慮具體施工工藝的復雜程度，現場實施條件，綜合比較工期、投資、可實施性。

2）板墻交界處計算內力較大，可通過增設反坡縱梁使其形成剛域，以抵抗角部應力集中區。

3）既有結構尺寸加大，側墻需要注意行車限界的要求，結構底板需要注意軌道的要求。

4）為實現大跨度，未施工頂板除加大結構尺寸及配筋、端部設置大腋角外，可探索采用后張有黏結預應力結構。