地铁车站钢筋混凝土箱型结构设计研究

2020-03-10王洪华

广东土木与建筑 2020年2期

王洪华

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司武汉430050）

0 引言

截止2019年底，全国地铁运营总里程达4 600 km，近2 100座车站，其中大部分为明挖车站。虽然积累了丰富的设计经验，但相对于民用建筑结构设计而言，缺乏统一的三维建模计算软件，根据相关规范［1～4］，明挖车站的荷载、计算方法、计算模型比较明确。对于常见顶板覆土3 m地下2层车站，含钢量相差较大［5］。广州某线路明挖车站含钢量计算为155～241 kg/m3，最大和最小车站含钢量可相差1.5 倍以上。究其原因，主要在于各设计院对于刚域、削峰、轴力取值等各异，还有就是部分设计人员人为加大配筋。

对于弯矩调幅存在的误区如下，《混凝土结构设计规范：GB 50010-2010（2015 年版）》［2］第 5.4.3 条规定：调幅后，钢筋混凝土梁支座或节点边缘截面的负弯矩调幅值不小于计算值的75%，弯矩调整后的两端截面相对受压区高度≥0.1，且≤0.35。钢筋混凝土板的负弯矩弯矩调幅幅度不宜＞20%。截面弯矩调幅是针对塑性设计且在承载力极限状态下考虑，通常地铁结构为弹性设计，因地铁荷载及构件所处环境的特殊性，结构配筋通常由正常使用状态即裂缝控制，而非承载力极限状态控制（包括承载力计算和抗震计算），故地铁结构配筋计算时，弯矩调幅基本失效。

1 结构计算基本问题

结构断面计算时，侧墙与板弯矩和剪力较大，因侧墙和板受土和水的垂直压力，对结构产生弯矩、剪力、轴力，故侧墙的受力模式和板一致。

1.1 刚域问题

相对民用建筑而言，地铁车站结构杆件尺寸较大，板与侧墙连接处形成一个特别的区域，该区域抗弯刚度无限大，呈现不可变形的刚体性质，称之为刚域［6，7］。在实际工程中，真正的刚域是不存在的，钢筋混凝土材料存在变形的性质，引入刚域旨在可接受的精度范围内，将端部部分构件长度视为刚域，达到简化计算的目的。节点刚域的有利作用已成业界共识，日本奥田勇教授最早对刚域的长度进行研究，认为梁柱端节点端部刚域长度可取bc-0.25hb和hb-0.25hc，其中hb、hc分别为柱宽和梁高。目前国内设计规范对刚域描述较少，文献［2］规定：实际计算简图应结合结构的实际形状、结构的受力和变形情况、结构的连接等各种措施，再做合理的简化确定后，当钢筋混凝土结构的构件尺寸较大时，水平构件与竖向构件交汇点形成相对的刚性节点区域。《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3-2010》［3］表明：当构件截面尺寸与跨度比值较大时，结构构件交点位置形成刚性节点区域，合理地选取刚域尺寸，将在一定程度上影响结构的分析结果，可按以下公式计算：

特别情况下，刚域长度为负值时，其值取零。结构构件配筋时，可取考虑刚域后梁端截面计算弯矩。刚域取值如图1所示。

图1 刚域Fig.1 Rigid Zone

目前实际计算中，民用结构计算时一般不考虑刚域的影响，作为结构安全储备考虑，另外，规范对刚域的描述相对模糊，可操作性差。在地铁车站结构设计中，取二维框架计算时，严格意义上来说，地铁箱型结构不等同于梁柱体系，顶板和侧墙的截面尺寸相差不大，刚度大部分接近1，与普通梁柱结构区别较大，现有公式计算刚域长度来自于文献［3］，按其公式计算，弯矩折减约2%～5%之间，对配筋影响有限。

1.2 削峰情况

首先要明确的是，刚域设置和削峰不能同时采用，削峰的实质就是在不设置刚域的情况下，支座点的弯矩取值问题［8］。以车站底板支座配筋为例，如图2 所示，弯矩最大位置为1，考虑到侧墙宽度，最危险截面不应在边墙中心位置，而应采用侧墙与底板交界面位置2 弯矩值配筋相对合理。根据《城市轨道交通设计规范：DG/T J08-109-2017》［9］规定，车站横截面框架计算时，支座处负弯矩取侧墙边弯矩，其计算公式如下：

式中：M1为侧墙边弯矩配筋的计算弯矩值；M0为侧墙中心处弯矩；Q0为侧墙中心处剪力；b为侧墙厚度。根据式⑴所得值与位置2 直接读取的弯矩值基本一致。正常削峰后，比中心位置弯矩减少10%～25%之间，为了保证结构足够的安全储备，通常采用最大减小幅度15%作为极限值，以保证结构有足够的安全度。

图2 车站底板边支座弯矩示意图Fig.2 Schematic Diagram of the Bending Moment of the Side Bearing of the Station Floor

1.3 受力特征

目前，关于侧墙和板配筋计算，主要有压弯构件和纯弯构件2 种受力计算模式。根据实际模型计算，侧墙和板的轴力实际是存在的，且数值不小，当不考虑轴力时，配筋量比考虑轴力大10%～20%，即轴力对板及侧墙的受力是有利的。对于各层楼板，楼板轴力主要受侧墙水压力和土压力影响，正常情况下，水压力按最高水位取值，而实际水位在最高水位的时间较短，大部分时间比最高水位要低，故算得的板轴力值比实际受力情况大，故按此轴力计算配筋时偏于不安全，板配筋时，轴力取值应打折处理。对于侧墙来说，轴力主要来源于车站顶底板荷载，顶底板受力变化幅度较小，可近似认为不变，计算侧墙配筋时，基本可采用计算轴力配筋。综合考虑活载及水位变化情况，一般取轴力计算值的0.8 倍，既能控制配筋又能确保结构安全。

1.4 截面高度取值

明挖车站设计中，板和侧墙往往作加腋处理，腋角增加了计算截面的高度，结合实际情况，一般对受弯和受剪取不一样的截面高度，即抗弯计算时不考虑腋角高度，抗剪计算则考虑腋角高度。梁抗弯计算时，加腋高度作为安全度储备考虑。对于抗剪，明挖车站剪力值较大，由于板和墙不能像梁一样采用箍筋或弯起钢筋抗剪，截面高度对抗剪承载力起控制性作用。很多抗剪计算不通过，存在两个误区，一是忽略轴力对抗剪的影响，二是不考虑分布钢筋抗剪作用。根据文献［2］，车站侧墙和板与剪力墙类似，应考虑轴力的有利影响，且分布筋抗剪作用。另外拉结筋是否对抗剪有利，能否采用箍筋类似的计算公式，目前拉结筋抗剪理论不成熟，需要进一步研究。有研究表明拉结筋可考虑其抗剪作用，理由有二：一是车站侧墙和板拉结筋直径和梁箍筋直径大小相似，且与分布筋和主筋形成了钢筋桁架，类似与梁中的单支箍筋；二是拉结筋满足锚固长度要求。当然，鉴于目前理论的不成熟，分布钢筋和拉结筋仅考虑一项作为抗剪计算，可满足安全要求。

综合以上论述，目前明挖车站结构计算设计原则如表1所示，表中3种设计较常用，构件配筋操作性强。

2 实例

根据目前的设计经验，经多方验证，明挖车站结构作为狭长结构的代表，其空间效应［10］存在一定的影响，但目前二维的框架模型精度可达到预期的经济效果。以广州某无柱车站为例，截取1 m 宽的框架作为研究对象。

2.1 构件尺寸

车站顶板厚度1.1 m，中板厚度0.7 m，底板厚度1.1 m。侧墙厚度1 m，底纵梁宽1.3 m，高2.4 m，底板中部设抗拔桩，桩径1.2 m。

2.2 基本设计参数

车站结构横向地震反应计算采用反应位移法。根据岩土工程勘察报告资料，地层从上至下依次为素填土、淤泥、淤泥质粉细砂、淤泥质中粗砂、强风化细砂岩、微风化细砂岩；地面设计标高取9.1 m，结构顶板上表面标高5.6 m，覆土厚度取为3.5 m，抗浮水位取地面设计标高。根据相关规范，场地抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.35 s，场地类别按Ⅱ类考虑。车站断面计算简图如图3所示。

表1 车站结构设计原则Tab.1 Station Structure Design Principles

图3 车站断面荷载计算简图Fig.3 Simplified Calculation of the Load of the Sation Section

2.3 约束设置

结构与地层接触的基本假定：采用水平弹簧和竖向弹簧代替地层对结构的水平位移和垂直位移约束作用。结构顶部、底板竖向弹簧，结构侧墙水平弹簧仅能承受压力，剪切弹簧能够承受压力和拉力。顶板压缩弹簧刚度kv=6 000 kN/m，剪切弹簧刚度ksh=2 667 kN/m。底板压缩弹簧刚度kv=90 000 kN/m，剪切弹簧刚度ksh=33 334 kN/m。侧墙按各土层加权平均进行计算，侧壁压缩弹簧刚度kh=26 125 kN/m，剪切弹簧刚度ksv=8 208 kN/m。抗拔桩约束条件模拟采用限制桩位处竖向位移值为0。设置压顶梁，主体与地连墙共同参与抗浮，车站整体抗浮满足要求。

2.4 荷载情况

永久荷载：钢筋混凝土容重取g1=25 kN/m3，顶板吊顶荷载取1.0 kPa，覆土3.5 m，容重g2=18 kN/m3，车站抗浮水位按满水位进行考虑［11］，水容重10 kN/m3。可变荷载：地面超载按照20 kPa 考虑；侧墙超载压力：0.58×20=11.6 kPa；人群荷载：4 kPa。结构混凝土收缩及徐变影响力：整体浇注的钢筋混凝土结构相当于降低温度10℃。温度变化影响：钢筋混凝土结构温度变化按15～25℃取值。顶板荷载：满水工况覆土自重71 kPa；中板荷载：装修荷载4.0 kPa，隔墙荷载按照1.5 kPa 考虑，轨顶风道按3.5 kPa 考虑。底板荷载186.5 kPa；侧向压力如图4所示。