暗挖地铁车站大跨度拱形中板的设计研究

赵 枫

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

近年来我国城市轨道交通的快速发展,车站、区间断面形式逐渐多样化,人们对地下空间中舒适性、适宜性等方面要求越来越高。随着大连、广州、青岛等地大跨度无柱车站的出现[1-3],引起人们的关注,此类车站具有空间视野开阔、建筑美观、客流效率高等特点[4],备受青睐。

各大城市地铁车站采用不同的无柱结构形式,广州地铁11号线某车站采用板加腋形式实现站厅、站台层无柱功能[5]；青岛地铁3号线某车站采用单拱大跨实现了站厅层无柱功能[6]；沈阳地铁2号线某车站采用新管幕法实现站厅层无柱功能[7]。

本文在拱盖法暗挖车站结构形式基础上,提出采用“拱形中板”的结构形式,实现车站站台层大跨无柱的功能,并以青岛地铁1号线薛家岛站为例,阐述此结构形式,进行有限元数值分析,总结此类结构形式的设计经验。

1 项目概况

1.1 工程背景

青岛市地铁1号线工程是青岛市开工建设的第5条地铁线路,线路南起黄岛区峨眉山路站,北至青岛流亭机场站,线路全长约60 km,共设车站39座,均为地下站,开通后将成为连接青岛市区与西海岸新区的交通走廊。

薛家岛站为由南向北设置的第10座车站,位于黄岛区滨海大道与金山路路口以东,沿滨海大道东西向敷设；车站全长为213 m,标准段宽度21.3 m,为地下两层岛式车站；采用暗挖拱盖法施工,拱顶覆土厚度约18 m。

1.2 地质条件

车站站址范围地形较为平坦,地貌类型为剥蚀斜坡区,地层状况如表1所示；表层覆盖第四系全新统人工填土层(Q4ml),下伏花岗斑岩(γπ53),地层变化复杂；无不良地质,无膨胀土、残积土等其他特殊性岩土。站址范围水文地质单元主要为低山丘陵基岩裂隙水分布区,地下水类型主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水,水位埋深约2.50 m,水量中等,径流方向复杂。

表1 场区岩土体模型计算参数

2 结构形式简述

2.1 与传统暗挖车站中板结构形式对比

传统拱盖法暗挖车站往往主体结构在中板下两侧预留牛腿,后期采用梁-板-柱结构形式施作中板[8],板下设轨顶风道,如图1所示。须满足相关专业以下要求：①轨顶风道需满足过风面积；②轨顶风道下方空间应满足列车限界要求；③中板下应满足管线布设空间及装修高度。

图1 传统中板结构形式

根据以往设计经验,为实现站台层无柱功能,中板可采用厚板加腋形式[9],此类结构形式存在板厚、层高、内力及变形较大、不经济等方面缺点。

在考虑以上结构形式优缺点的基础上,取消结构中纵梁、柱及牛腿等构件,拟在中板下设弧形板,所围蔽区域为轨顶风道,与中板形成拱形,简称“拱形中板”,如图2所示。此结构形式优点显而易见：结构形式轻盈、美观、构件尺寸小,既满足各专业的相关要求,又实现了站台层大跨无柱的使用功能。

图2 拱形中板结构形式

2.2 结构构造

构件截面尺寸：为满足静力计算要求,拱形中板两侧上、下弦板及跨中板厚分别为0.3，0.5 m,两端侧墙厚度0.75 m,矢跨比为1/10,如图3所示。

图3 拱形中板截面(单位： mm)

工程材料： C35、C45混凝土,其技术条件应符合现行国家标准GB/T50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》[10]相关规定。HRB400钢筋,其材质及性能应符合现行国家标准GB/T 1499.2—2018《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》[11]相关规定。

3 结构数值分析

3.1 计算参数及设计荷载

结构设计使用年限为100年[12-13],安全等级为一级,结构重要性系数为1.1；依据《青岛地铁1号线工程场地地震安全性评价性报告》：抗震设防烈度7度(0.1g),重点设防类,设计地震分组为第二组,场地类别为Ⅱ类；中板结构所处环境类别为一般环境(I-B级),构件裂缝宽度控制标准为0.3 mm。

结构数值分析时,应考虑以下荷载。

永久荷载：外侧水压力、土压力、覆土重、结构自重等。

可变荷载：地面超载、中板活载、施工荷载等。

人防荷载： 6级人防等效荷载。

地震作用。

计算中应考虑荷载最不利组合,进行包络设计。

3.2 结构静力分析

本结构计算采用荷载-结构模型,利用SAP2000有限元计算程序进行分析,该模型未考虑车站附属结构及中板设备区洞口,仅考虑中板公共区1组楼扶梯洞口。结构墙、中板采用板单元模拟,结构梁采用梁单元模拟,地层对墙、板的抗力由弹簧[14](仅受压)模拟,车站模型如图4所示。

图4 车站整体三维模型

经整体计算,拱形中板内力及变形如图5、图6所示,并将计算值与传统中板、厚板形式中板进行对比,如表2所示。

图5 拱形中板弯矩及变形云图

图6 拱形中板轴力图(单位：kN)

表2 中板内力值对比

由以上数据分析表明,相比传统中板、厚板形式中板而言：

拱形中板内力及变形值均相对较小,仅轴力值较大,符合一般拱形结构受力情况；此外厚板形式中板构件尺寸均较大[15],跨中板厚为700 mm,支座处板厚为1 000 mm。

跨中弯矩受外侧水、土压力及超载作用,跨中部位弯矩呈负值,且埋深越大,水土压力与弯矩、轴力成正比例变化。

在楼扶梯等洞口处,受空间关系影响,沿车站纵向洞口梁及节点处应力集中明显,数值较大,梁扭转作用明显。

此外,为保证拱形中板计算简图与现场实际受力相符,上弦板与下弦板交接处配筋将拱纵向受力钢筋贯通设置,上弦板纵向受力钢筋锚入结点内,如图7所示。

图7 结点配筋示意

3.3 结构抗震分析

根据GB50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》[16]相关规定,并对抗震计算方法进行对比分析[3],满足以下要求： E2作用下,满足性能Ⅰ,即弹性工作阶段； E3作用下,满足性能Ⅱ,即弹塑性阶段,均采用非线性时程分析法。

本结构计算采用地层-结构模型,利用Midas-GTS NX有限元计算程序进行分析。土体采用实体单元模拟,结构构件采用板单元,顶部取至地面,结构两侧及底部土体宽度各取5倍的结构宽度[17],边界条件采用黏弹性边界[18](侧面为自由场,底面为固定),整体模型及车站网格组划分如图8、图9所示。

根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)[19]要求,选用3条经典水平地震波,分别为E1-Centro波、唐山波、TAR-TARZANA波； E2、E3作用下,最大峰值加速度应分别为100,220 cm/s2,并对以上波形采用比例调整法[20]；地震作用的基准面H为底板埋深加2倍车站结构高度。

图8 地层-结构模型

图9 车站网格划分

经模态分析、时程分析,可得出E2、E3作用下,结构中板位移时程曲线如图10～图12所示,此外对结构最大层间位移角进行计算,如表3所示。

图10 EL-Centro波作用下中板位移

图11 唐山波作用下中板位移

图12 TAR-TARZANA作用下中板位移

表3 最大层间位移角对比

由以上数据可知,拱形中板结构在中震及大震作用下,结构层间位移角均可满足规范限值要求,与传统中板结构车站接近。

对E2作用下,与非地震工况下内力进行对比,如表4所示。

表4 中板内力值对比

由表4可知,拱形中板跨中弯矩、轴力及剪力增幅约25%；此外,若站内无障碍电梯采用混凝土井壁并与中板刚接,受仰拱水浮力作用,中板向上变形趋势较明显,下弦板轴力极剧增加,对结构极为不利,不建议采用混凝土井壁。

4 结语

在拱盖法车站基础上提出采用拱形中板结构形式,实现车站站台层大跨度无柱功能,并进行计算分析。目前青岛地铁1号线所有暗挖车站(5座)均采用此结构形式,部分车站土建部分已施工完成,效果较好。

(1)结构静力分析中,拱形中板较传统中板、厚板形式中板而言,内力及变形值均相对较小,仅轴力值较大；车站外拱墙受两侧水土压力作用,拱形中板跨中部位呈负弯矩,且水土压力越大,弯矩、轴力等越大,设计中应引起重视；此外在中板楼扶梯等洞口处,受空间关系作用,沿车站纵向梁及节点处内力值较大,应力集中明显,应加强此处截面设计,并考虑梁扭矩等不利效应。

(2)结构抗震分析中,中震及大震作用下,拱形中板结构层间位移角等均可满足规范限值要求； E2地震作用工况下,内力较非地震工况增幅约25%,设计中应引起重视；此外,若站内无障碍电梯采用混凝土井壁并与中板刚接,受仰拱水浮力作用,中板上拱变形趋势较明显,导致下弦板轴力急剧增加,对结构极为不利,建议不采用混凝土井壁。