城際鐵路地下車(chē)站公共區(qū)域大跨無(wú)柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蒙 蛟

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

傳統(tǒng)城際鐵路地下車(chē)站常在公共區(qū)域設(shè)置大量的結(jié)構(gòu)柱,存在割裂空間、限制人流等問(wèn)題。 因此,空間利用率更高,視覺(jué)效果更佳的無(wú)柱車(chē)站應(yīng)用前景廣闊[1-2]。 目前,無(wú)柱結(jié)構(gòu)多應(yīng)用于地鐵建設(shè)上,并取得了一定的成果,如雷崇通過(guò)分析提出地下雙層島式車(chē)站較為合理的結(jié)構(gòu)方案[3];李國(guó)清對(duì)各專(zhuān)業(yè)進(jìn)行總結(jié),提出暗挖大拱無(wú)柱車(chē)站的優(yōu)缺點(diǎn)[4];李江樂(lè)等開(kāi)展無(wú)柱大跨地鐵車(chē)站模型的地震振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)[5];宋冉等計(jì)算分析裝配式地下車(chē)站結(jié)構(gòu)的整體變形、局部接頭變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和內(nèi)力,驗(yàn)證裝配式無(wú)柱車(chē)站結(jié)構(gòu)的可靠性[6]。

城際鐵路與地鐵相比,車(chē)型、行車(chē)組織、運(yùn)行速度均不相同,導(dǎo)致車(chē)站結(jié)構(gòu)在站臺(tái)長(zhǎng)度、寬度、層高等方面存在顯著差異[7]。 目前,在城際鐵路站中采用無(wú)柱結(jié)構(gòu)的研究較少且無(wú)成熟技術(shù)可供參考。 以岐江新城站方案設(shè)計(jì)為依托,提出多種無(wú)柱斷面結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化比選,以期為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

擬建南沙至珠海(中山)城際鐵路采用市域D 型列車(chē)、CBTC 系統(tǒng),設(shè)計(jì)速度160 km/h,公交化運(yùn)營(yíng)。 岐江新城站為地下三層島式車(chē)站,長(zhǎng)263 m,站臺(tái)寬12 m,基坑深27.2 m,設(shè)置2 座出入口及2 組風(fēng)亭,采用明挖法施工。 為滿(mǎn)足公共區(qū)站臺(tái)門(mén)退臺(tái)距離和站臺(tái)層布置需要,公共區(qū)采用無(wú)柱設(shè)計(jì),岐江新城車(chē)站總平面見(jiàn)圖1。

受車(chē)型、車(chē)速和設(shè)備布置等方面的限制,城際鐵路地下車(chē)站層高大于傳統(tǒng)地鐵車(chē)站,站臺(tái)層最為明顯,由此帶來(lái)更大的構(gòu)件尺寸。 岐江新城站公共區(qū)設(shè)計(jì)無(wú)柱結(jié)構(gòu)段跨度為22.9 m,頂板厚度為1.2 m,中板厚0.7 m,底板厚1.4 m,側(cè)墻厚1.2 m。 根據(jù)鉆孔揭露,場(chǎng)地土層自上而下可分為:第四系填土層、海陸交互相沉積層、殘積層、燕山期花崗巖,其中車(chē)站所處土層自上而下為素填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、礫質(zhì)黏性土與全風(fēng)化花崗巖。 岐江新城車(chē)站斷面見(jiàn)圖2。

圖2 岐江新城車(chē)站橫斷面(高程單位:m;其余:mm)

2 車(chē)站底板抗拔樁減跨方案

2.1 抗拔樁設(shè)計(jì)

岐江新城站屬地下三層車(chē)站,埋深較大,導(dǎo)致底板需承受較大浮力。 無(wú)柱結(jié)構(gòu)底板缺少有效跨中支座,荷載隨跨度急劇增加,常規(guī)結(jié)構(gòu)尺寸難以滿(mǎn)足需要,需采用相應(yīng)措施降低跨中彎矩。 針對(duì)地鐵無(wú)柱車(chē)站抗浮設(shè)計(jì),有學(xué)者提出底板設(shè)抗拔樁減跨的方案[8-9]。 為了研究比選單排和雙排抗拔樁的作用效果,提出2 種車(chē)站抗拔樁減跨方案,方案一為在底板跨中位置設(shè)置單排抗拔樁;方案二為在底板1/3 跨位置設(shè)置雙排抗拔樁,見(jiàn)圖3。 其中,抗拔樁樁長(zhǎng)25 m,樁徑1.3 m,縱向間距6 m。

圖3 抗拔方案設(shè)計(jì)

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

采用MIDAS GTS NX 軟件進(jìn)行模擬計(jì)算,按車(chē)站長(zhǎng)度方向取單位長(zhǎng)度建立荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,將車(chē)站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面框架,車(chē)站結(jié)構(gòu)與周?chē)馏w間相互作用采用僅受壓地基彈簧模擬。 水壓力按地下水位處于地表位置考慮,抗拔樁采用樁體彈簧單元模擬,彈簧單元?jiǎng)偠劝词?1)計(jì)算,有

式中,K為彈簧單元?jiǎng)偠?E為樁體彈性模量;A為抗拔樁樁體截面積;L為抗拔樁樁長(zhǎng);Z為抗拔樁縱向間距。

計(jì)算時(shí),假定車(chē)站處于運(yùn)營(yíng)期,忽略地連墻承載作用,周?chē)奢d均由車(chē)站結(jié)構(gòu)承擔(dān),圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅作為主體結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。 岐江新城車(chē)站結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖4,模擬過(guò)程中所需參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

圖4 岐江新城車(chē)站結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意

2.3 計(jì)算結(jié)果

不同抗拔樁方案下車(chē)站結(jié)構(gòu)彎矩見(jiàn)圖5。 在底板位置設(shè)置抗拔樁時(shí),相當(dāng)于在底板增加支座,使得抗拔樁位置處底板彎矩大幅降低,且底板各位置受力均明顯改善,但頂板處受力無(wú)顯著變化。

圖5 不同抗拔樁方案下車(chē)站結(jié)構(gòu)彎矩量值(單位:kN·m)

底板未設(shè)抗拔樁時(shí),底板跨中和支座彎矩分別為9 758.3 kN·m 和12 822.2 kN·m,底板、側(cè)墻截面無(wú)法承受此荷載。 底板設(shè)雙排抗拔樁后,跨中和支座處彎矩分別減小67.5%和69.4%;底板設(shè)置單排抗拔樁比設(shè)雙排抗拔樁的方案,彎矩僅增加4.2%。 底板設(shè)置單排抗拔樁,顯著改善底板受力的同時(shí),在施工難度和經(jīng)濟(jì)性方面更具優(yōu)勢(shì)。

3 無(wú)柱城際鐵路站結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)

3.1 車(chē)站結(jié)構(gòu)斷面選型

相較于傳統(tǒng)的有柱車(chē)站,無(wú)柱車(chē)站由于立柱的取消,頂板及中板的跨度成倍增大,如何加強(qiáng)其承載能力,是無(wú)柱車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 有學(xué)者提出,無(wú)柱車(chē)站結(jié)構(gòu)常用型式有頂板設(shè)密肋梁、頂板施作為變截面板、頂板設(shè)為拱形等型式[10-11]。 針對(duì)岐江新城站,共設(shè)計(jì)4 種結(jié)構(gòu)斷面方案進(jìn)行比選。

(1)變截面頂板設(shè)計(jì)

車(chē)站頂板采用變截面板,即在頂板支座處加大腋角。 設(shè)計(jì)腋角高1 m,腋角長(zhǎng)5.1 m。 車(chē)站斷面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 變截面頂板車(chē)站設(shè)計(jì)斷面(單位:mm)

(2)頂板加肋梁設(shè)計(jì)

在變截面方案基礎(chǔ)上,車(chē)站頂板加橫向肋梁,肋梁斷面采用1 m×1 m,縱向間距設(shè)為1 m。 由于頂板加肋會(huì)影響負(fù)一層使用空間,故車(chē)站頂板上移1 m。 數(shù)值計(jì)算時(shí),將加肋頂板等效為同剛度矩形板[12],矩形板高1.9 m。 頂板加肋梁車(chē)站斷面見(jiàn)圖7。

(3)拱形頂板設(shè)計(jì)

車(chē)站頂板采用拱形設(shè)計(jì),為滿(mǎn)足拱頂既有管線(xiàn)埋設(shè)要求,車(chē)站頂部需預(yù)留一定厚度土體,故控制頂板埋深不少于2 m。 從結(jié)構(gòu)力學(xué)合理拱軸線(xiàn)出發(fā),為減小頂板彎矩,充分發(fā)揮混凝土材料抗壓性能,頂板起拱高度設(shè)計(jì)為2 m,埋深2.08 m。 拱形頂板車(chē)站斷面見(jiàn)圖8。

圖8 拱形頂板車(chē)站設(shè)計(jì)斷面(單位:mm)

(4)拱形頂板+拱形底板設(shè)計(jì)

車(chē)站頂板及底板均采用拱形設(shè)計(jì),頂板拱高2 m,底板拱高1 m。 車(chē)站斷面見(jiàn)圖9。

圖9 拱形頂板+拱形底板車(chē)站設(shè)計(jì)斷面(單位:mm)

3.2 計(jì)算結(jié)果

采用MIDAS GTS NX 軟件進(jìn)行模擬計(jì)算,按車(chē)站長(zhǎng)度方向取單位長(zhǎng)度建立荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,將車(chē)站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面框架,車(chē)站結(jié)構(gòu)與周?chē)馏w間相互作用采用僅受壓地基彈簧模擬[13-15]。 荷載基本組合下拱形頂板車(chē)站結(jié)構(gòu)斷面內(nèi)力見(jiàn)圖10。

圖10 拱形頂板車(chē)站結(jié)構(gòu)內(nèi)力

由圖10 可知,車(chē)站負(fù)三層側(cè)墻底支座及底板兩端支座彎矩量值和剪力量值均較大,軸力量值較大處位于車(chē)站負(fù)三層側(cè)墻、第二層中板及底板,符合車(chē)站框架結(jié)構(gòu)受力宏觀(guān)規(guī)律。 頂板由于起拱作用,使得彎矩量值降低,受力狀況得到改善。

不同結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)方案下,各車(chē)站結(jié)構(gòu)特征位置處彎矩量值見(jiàn)圖11。

圖11 不同斷面下車(chē)站特征位置處彎矩量值

采用變截面頂板時(shí),可改善頂板跨中位置受力,使得荷載基本組合下頂板跨中位置彎矩變?yōu)? 256.33 kN·m,相較于僅底板設(shè)立抗拔樁,彎矩降低幅度為12.35%。 但由于頂板支座處斷面增加,剛度提高,使得頂板支座處受力有略微增加。

采用頂板加肋梁可改善頂板支座受力,頂板支座位置彎矩變?yōu)? 743.51 kN·m,降低幅度為25.6%。但由于頂板跨中位置剛度增大,使得其彎矩值增大為5 280.48 kN·m,增長(zhǎng)幅度為42.13%。

當(dāng)頂板設(shè)置為拱形時(shí),頂板跨中及支座位置受力均得到明顯減小,頂板跨中位置彎矩降低幅度為63.85%,支座位置降低幅度為51%。 且底板支座處彎矩值也有一定程度下降,降低幅度為7.85%。 當(dāng)?shù)装逡苍O(shè)為拱形時(shí),相較于單頂板為拱形,可進(jìn)一步降低底板支座彎矩量值,但相較于單設(shè)置頂板拱形降低幅度僅為1.49%。 且頂板跨中與頂板支座處彎矩量值反而增加。 因此,推薦采用頂板設(shè)置為拱形的車(chē)站結(jié)構(gòu)斷面方案。

4 結(jié)論

(1)地下三層無(wú)柱車(chē)站底板荷載極大,常規(guī)結(jié)構(gòu)尺寸難以滿(mǎn)足需要,推薦采用抗拔樁減跨措施。 底板設(shè)雙排抗拔樁后,跨中和支座處彎矩分別減小67.5%和69.4%,相較于設(shè)雙排抗拔樁的方案,底板設(shè)置單排抗拔樁彎矩僅增加約4.2%,可顯著改善底板受力,且在施工難度和經(jīng)濟(jì)性方面更具有優(yōu)勢(shì)。

(2)對(duì)常規(guī)矩形頂板、變截面頂板、頂板加肋梁、頂板起拱等4 種地下三層無(wú)柱車(chē)站結(jié)構(gòu)斷面形式進(jìn)行比較;頂板起拱方案跨中和支座位置受力均得到明顯降低,并能改善其他構(gòu)件受力,推薦優(yōu)先選用頂板起拱方案。