乌鲁木齐地铁地下三层中庭式分叉高柱车站结构设计

宋 杰

(中铁上海设计院集团有限公司， 200070， 上海//高级工程师)

中庭式车站作为地上建筑的先进设计理念,引入地铁领域后，在显著提升地下空间的建筑通透性、改善乘客心理舒适度的同时，也带来了结构设计的一系列难题。目前，北京、上海、深圳、南京等城市已建成少量中庭式车站，国内学者对其结构设计也做了一定的研究。文献[1-2]分别介绍了上海、南京第一座中庭式车站的结构设计特点和难点;文献[3]对中庭式车站提出了3种结构优化方案，并做了对比分析；文献[4]介绍了顶、中板均打开的隐柱式中庭地下车站结构设计方案；文献[5]以北京地铁6号线新华大街站为工程背景，对大跨度Y形柱地铁车站结构地震反应做了深入研究。

综上案例调研及资料搜集，目前国内中庭式车站基本以地下两层、标准双柱三跨岛式车站为主，中庭开孔设置在地下一层中板中跨，两侧边跨仍保留中板板带。北京地铁6号线新华大街站则采用了中庭两侧仅保留部分悬臂板带、中柱采用Y形钢管混凝土高柱的设计。乌鲁木齐(以下简称“乌市”)地铁1、5号线国际机场站为地下三层平行换乘车站，其采用了地下一层设置中庭、钢筋混凝土分叉高柱等新颖设计，系国内首例。现简要介绍其主要结构设计方案、计算对比及抗震分析等。

1 工程概况

乌市地铁国际机场站(以下简称国际机场站)位于机场T2航站楼南侧地面停车场下方，系地铁1号线工程的终点站，以及与远期5号线(中间站)的换乘站，同时又是与机场航站楼的接驳换乘站。车站站型为地下三层、一岛两侧平行换乘站。车站主体纵向外包长度179.1 m，宽度41.7 m，底板埋深约23.5 m。

国际机场站定位为乌市机场门户站和区域交通枢纽站，因此建筑设计力求开敞、大气，并充分体现新疆特有的人文与地理文化。经多方案研究分析，最终采用了地下一层设备层、地下二层站厅层、地下三层站台层的非常规建筑布置，并在车站地下一层中部开孔形成中庭的方案。

2 工程地质与水文地质

国际机场站地处乌市北部片区，地势相对平坦，巨厚的无水卵石地层是其显著特点。场地地表广泛分布杂填土，层厚0.5～4 m；其下即为卵石层，钻孔深度50 m以上未见底。卵石层呈深灰色，成份以砂岩、灰岩为主，浑圆状，磨圆度较好。其粒径组成中,2～20 mm粒径约占20%，20～60 mm粒径约占45%，大于60 mm粒径约占15%；余为砾砂与粉黏粒充填，局部含漂石，最大粒径大于110 mm。其中，中密卵石埋深在8 m以上，呈中密状，岩土施工工程分级为Ⅲ级硬土；密实卵石埋深在8 m以下，呈密实状，岩土施工工程分级为Ⅳ级软石。土层物理力学特性指标见表1。

表1 土层物理力学特性指标

乌市系典型的贫水地区，场区卵石层渗透系数达40～45 m/d，地表及地下水基本均自然渗流到地层深部，勘察期间勘探深度50 m内未见地下水。

3 车站标准段横断面结构设计

国际机场站主体结构纵向长度179.1 m，中庭纵向长度51 m。主体结构按照标准段和中庭段两种不同的断面型式进行设计。

3.1 标准段横断面设计

标准段结构型式为地下三层、三柱四跨钢筋混凝土箱型结构，顶板覆土厚度2.4 m，底板埋深23.4 m。公共区纵向柱距9 m，横向柱距分别为11.05 m和9.1 m。场区地层主要为无水卵石层，不考虑水压力，静止侧压力系数仅0.26～0.30，因此本站虽为地下三层站，但侧墙及底板均较其他地区类似车站做减薄设计。标准段横断面如图1所示。

单位：mm

图1 标准段横断面图

3.2 标准段横断面静力荷载计算

根据经验，地铁车站主要板墙构件尺寸及配筋一般由裂缝控制，荷载控制组合为准永久组合并计其长期作用影响。计算时侧墙仅考虑土压力，底板仅考虑地基反力，不考虑水浮力。主要内力计算结果如图2所示。

a) 弯矩图b) 剪力图

c) 轴力图d) 位移图

图2 标准段横断面内力图

4 车站中庭段横断面结构设计

4.1 地下一层中庭平面设计

中庭设置在地下一层设备层中部偏右的位置，即位于地下二层站厅层上方，形成顶部开敞空间。横向中间两跨为中庭开孔(长51 m、宽17.4 m)，中庭内柱子为分叉高柱,两个边跨各保留11.5 m宽的板带。中庭平面布置如图3所示。

4.2 中庭段结构整体方案比选

目前,国内中庭车站多为标准双柱三跨车站，宽度约20 m，开设中庭后由于两个边跨板带宽度较窄，故抗弯刚度较弱，抵抗侧向变形能力不足。在向水、土压力作用下，结构整体向内压缩变形，由此引起侧墙在板角点处产生的负弯矩、跨中正弯矩及剪力等大幅增大，同时中庭边缘处柱子水平位移、弯矩及剪力亦有一定增大，容易造成柱子承载能力不足或失稳破坏，需要采取结构加强措施。中庭段可供选择的结构整体方案有：中板加厚直接抵抗水平力、侧墙外扩设置竖向肋柱、中庭两侧中板与侧墙分离等方案。

图3 中庭布置平面图

国际机场站是一岛两侧平行换乘车站，站型为三柱四跨，结构宽度达41.7 m。中部两跨开设中庭，两个边跨各保留宽度为11.5 m的板带，与中庭纵向开洞长度46 m(考虑孔边设置加腋后的折算长度)相比，侧边板带高跨比约1∶4，满足常规水平框架梁的高跨比要求，抗弯刚度相对较大，且侧向无水压力荷载，故采取中庭侧边板带加厚直接抵抗水平力的整体方案。

4.3 中庭段横断面设计

中庭段的覆土厚度、底板埋深基本同标准段。地下一层中板中间两跨为中庭开孔，板厚加厚至600 mm。中庭内一排柱子高度达12.3 m，采用钢筋混凝土柱，上部设置分叉小柱(高度4.7 m)减小长细比，以提高柱子承载能力和稳定性。分叉中柱截面尺寸为800 mm×1 400 mm，两侧分叉小柱截面尺寸为600 mm×600 mm，柱顶增设顶纵梁(800 mm×1 300 mm)。中柱考虑分叉小柱的横向支座约束作用后，长细比约12左右，属合理范围。两排边柱为700 mm×1 500 mm。其余均基本同标准段。中庭段横断面如图4所示。

如图5所示，采用设置中庭、中柱分叉高柱等特色结构设计后，站厅层结构净高达12.3 m，公共区开敞通透，装修设计结合分叉高柱采用天山雪莲造型，极富艺术性，充分体现了国际机场站作为乌市机场门户站所应具备的开敞大气和地域文化特色。

4.4 中庭段横断面静力荷载计算

国际机场站中庭段侧边板带由于水平抗弯刚度较大，结构整体仍基本呈单向板受力体系，故仍以横断面计算分析受力，但需考虑侧边板带作为水平框架梁约束变形的刚度贡献，计算中以等效水平弹簧模拟，施加在中庭侧边板带与边柱的连接点处。实际设计中用局部三维有限元建模内力计算做校核。主要内力计算结果如图6所示。

单位：mm

图4 中庭段横断面图

a) 中庭结构实景图

b) 中庭装修效果图

4.5 与标准横断面计算结果对比分析

4.5.1 中庭引起的结构内力、位移变化

由中庭段和标准段的内力计算结果比较可知：

(1) 中庭所在地下一层中板发生向内水平位移增大。其中：中庭与侧墙节点处由0.4 mm增大到1.7 mm，中庭与边柱节点处由0.1 mm增大到1.5 mm，增幅相对较大，但水平位移绝对值属合理范围。

(2) 水平位移增大引起侧墙由两跨连续墙受力体系向单跨体系转变的趋势，并相应引起顶板—地下二层板范围结构内力重新调整。其中：地下一层侧墙墙顶、地下二层侧墙墙底两个节点处弯矩、剪力增大(最大增幅约20.4%)；地下一层侧墙墙底节点处弯矩由约为零变为较大正弯矩(255 kN·m)；地下二层墙顶节点处的负弯矩、剪力减少(最大减幅约20.2%)。

a) 弯矩图b) 剪力图

c) 轴力图d) 位移图

图6 中庭段横断面内力图

(3) 中庭对底板内力影响较小。

(4) 边柱处标准段横断面弯矩、剪力几乎为零，中庭段横断面出现弯矩78 kN·m/m和剪力20 kN/m。

4.5.2 分叉高柱引起的结构内力、位移变化

(1) 中柱、边柱竖向位移均略微增大，分叉中柱轴力增大约3.6%，边柱轴力减少约9.4%。

(2) 分叉中柱显著改善了顶板两个中跨的受力。其中：顶板中跨正弯矩几乎减为零；中柱顶负弯矩、剪力大幅减小；边柱顶负弯矩、剪力减小(最大减幅约15.6%)。

(3) 底板中柱底负弯矩、剪力增大(最大增幅约38.9%)；边柱底负弯矩、剪力增大(最大增幅约12.8%)；底板中跨正弯矩减小(最大减幅约3.1%)。

经计算，中庭断面板、墙各截面抗剪均满足要求，不必额外增大截面，其弯矩增幅均可通过调整配筋解决。宜适当增大柱截面以承载边柱处产生的附加弯矩和剪力。由此可见，国际机场站由于中庭侧边板带水平框架梁作用较明显，设置中庭虽引起结构内力、位移发生了一定变化，但幅度基本在结构承载能力范围内。因此，中庭断面采取中板侧边板带加厚直接抵抗水平力的整体方案是合理可行的。

对其他车站，如中庭侧边板带宽度不足、水平框架梁作用较弱时，则应充分重视上述变化，尤其是边柱的承载能力验算，应结合计算采取其他类型整体方案或结构加强措施。

5 车站三维抗震分析

乌市抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第二组，地震动峰值加速度为0.20g，反应谱特征周期0.40 s。车站主体结构抗震设防为重点设防类(乙类)，抗震等级为二级。抗震设防目标为：①结构在遭受相当于本工程抗震设防烈度的地震(E2地震动作用)影响时，不破坏或轻微破坏，应能够保持其正常使用功能，结构处于弹性工作阶段，不应因结构的变形导致轨道的过大变形而影响行车安全；②结构在遭受高于本工程抗震设防烈度的罕遇地震(高于设防烈度1度，E3地震动作用)影响时，地下结构主要支撑体系不发生严重破坏，经修补，短期内应能恢复其正常功能，结构局部进入弹塑性工作阶段。

考虑到乌市抗震设防烈度高，且国际机场站为地下三层带中庭车站，设计采用时程分析法对本站进行了三维建模抗震分析，分析软件为MIDAS-GTS。计算模型的侧面人工边界距地下结构的距离不小于3倍地下结构水平有限宽度，底面人工边界宜取至设计地震作用基准面且距结构的距离不小于3倍地下结构竖向有效高度。车站三维模型如图7所示。分析中，模型结构的土体采用实体单元，墙、板采用板单元，梁、柱采用梁单元。岩土的本构模型采用摩尔-库伦模型。边界采用粘弹性人工边界进行模拟。根据地震安评报告中提供的不同重现期地震动时程样本，以时程荷载的方式施加地震作用。

a) 地层-车站整体模型

b) 车站主体模型

图8、9分别为E2地震动作用下地下一层板弯矩云图和E3地震动作用下车站位移云图。由图8～9可知：

(1) 在设防地震作用下，中庭开洞两侧边板带、边柱与地下一层中板交点、分叉中柱柱顶等处出现一定应变突变，表明中庭开洞后这些部位成为本站抗震不利薄弱环节，细部设计应采取相应加强措施。同时，结构整体仍处于弹性工作阶段，经验算地震工况对构件截面尺寸和配筋不作控制，柱子轴压比均不超过0.75的限值，抗震设计的重点是加强抗震构造措施。

(2) 在罕遇地震作用下，车站层间位移角均未超过1/250的限值，可以认为结构局部处于弹塑性工作阶段，但损坏情况处于可修的范围之内。

图8 地下一层板弯矩云图(E2地震动作用下)

图9 车站位移云图(E3地震动作用下)

6 中庭式分叉高柱结构加强细部设计

6.1 中庭

由前述分析可知，需对中庭处结构采取刚度及构造加强措施，尽量减小中庭处结构变形，控制内力增幅，以保证结构安全。国际机场站采取的加强措施主要有：①地下一层板(中庭开孔板)厚度由标准段的500 mm加大为600 mm；②中庭开孔4个角点设置5 m×5 m加腋，以减小中庭开孔尺寸，改善角点受力;③中庭周边设置水平加强圈梁体系(宽3 000 mm×高700 mm)，同时横向圈梁向两侧延伸到侧墙以起到一定的支座作用；④侧墙与地下一层板加腋加大到500 mm×1 000 mm，并设置加强水平框架梁(宽1 900 mm×高900 mm)；⑤中庭侧边柱截面加大以提高抗侧力能力，由标准区段的地下一二层700 mm×1 200 mm、地下三层700 mm×1 400 mm，加大至车站全长700 mm×1 500 mm，地震荷载工况下轴压比约0.66；⑥结合计算采取板、墙配筋加强,边柱主筋加强,箍筋全长加密等措施。中庭结构加强设计平面如图10所示。

图10 中庭结构加强设计平面详图

6.2 分叉高柱

分叉高柱节点详图如图11所示。由图11可知，分叉高柱采取的措施为：①适当加大分叉中柱截面以提高轴压比裕量，标准段地下一二层、地下三层中柱截面分别由700 mm×1 200 mm、700 mm×1 400 mm加大至车站全长800 mm×1 400 mm，地震荷载工况下轴压比约0.62；②两侧分叉小柱截面采用600 mm×600 mm，分叉小柱与中柱、顶板角点处均设置加腋及构造加强钢筋以改善节点受力性能；③结合计算采取柱主筋加强以及箍筋全长加密等配筋加强措施。

图11 分叉高柱节点详图

7 结论

国际机场站作为国内首例设置中庭、钢筋混凝土分叉高柱的地下三层平行换乘车站，其特殊的结构设计为建筑采用公共区开敞大空间及艺术化装修创造了条件，可为后续类似项目提供借鉴。

(1) 中庭式车站的结构设计重点为控制中庭，尤其是边柱处的结构侧向位移。可根据车站的具体结构型式，合理选择中板加厚直接抵抗水平力、侧墙外扩设置竖向肋柱、中庭两侧中板与侧墙分离等整体方案。

(2) 经横断面静力荷载计算及三维有限元抗震分析可知，国际机场站由地下一层中板中庭开洞引起的结构受力及抗震性能薄弱部位主要为：中庭两侧边板带、边柱与地下一层中板交点以及分叉高柱柱顶等处。地震荷载工况基本不控制结构构件尺寸及配筋，荷载控制组合为准永久组合(并计及长期作用影响)。结构设计的重点是针对上述薄弱部位做结构加强设计，以及采取必要的抗震构造加强措施。

(3) 针对与本站类似的大宽度、多跨式开中庭车站，可优先采用中庭侧边板带加厚直接抵抗水平荷载的方案，但应核算侧边板带作为水平框架梁抵抗水平荷载的能力，控制其高跨比在合理范围内。细部设计可采取中庭四角设加腋、中庭孔边设置水平封闭圈梁、中庭侧边柱加大截面控制轴压比以及结构配筋加强等加强措施。

(4)位于中庭内的柱子由于高度较大，需要控制其轴压比和长细比，可采取上部设置分叉柱、柱截面适当加大以及结构配筋加强等加强措施。