轨道交通地下车站大跨结构形式比选

郭 享 张荣宽

(1.苏州轨道交通集团有限公司 江苏苏州 215008；2.华设设计集团股份有限公司 江苏南京 210014)

1 引言

随着城市轨道线路里程的增加和线网的交汇成型，地铁客流量将大幅增长，地铁换乘站等人群密集的地下空间需相应增加空间规模，以满足人群流通的舒适性，提高流通效率[1]。增加结构跨度、减小框架柱布设数量，是提升车站内部空间感的有效方式。一般地铁车站为普通混凝土框架结构，最大跨度通常不超过10 m，当跨度增大时，构件内力随跨度成平方倍数式增长，变形也会较大幅度增长，需增加结构尺寸、配筋以满足承载能力和使用要求，通常协调性和美观性较差，因此，有必要采取新思路新方法，研究合理、经济的结构处理措施。

国内已有许多城市地铁车站采用大跨度结构。南通1号线环西文化广场站采用双环穹顶结构，最大结构跨度约28 m；无锡地铁1号线市民中心站换乘节点采用密肋楼盖结构体系，最大结构跨度约25.4 m；武汉地铁11号线光谷五路站、郑州地铁3号线新柳路站采用了型钢混凝土梁和钢管柱，最大结构跨度分别约36.5 m和16.2 m。

双环穹顶结构通过悬挑梁支撑中间环梁，达到减小板跨度的效果，但中间环梁节点位置的抗震性能相对薄弱，且对梁截面的尺寸要求较大，影响站内的管线布设和整体空间效果；密肋楼盖结构体系由薄板及间距较小的肋梁形成，整体性较好，刚度大，自重较轻，但由于梁间距密集，模板架设和钢筋绑扎较困难，施工难度较大[2]；钢-混凝土组合结构充分利用混凝土和钢材两种材料的优点，结构尺寸截面较小，整体性好，刚度大，承载力强，但梁柱节点处构造相对复杂，型钢梁柱需预制加工，现场施工时需一次性浇筑成型[3]。

本文以苏州某地铁车站的建设为依托，参考国内既有工程建设经验，综合考虑构件尺寸、结构内力和变形、施工难度等因素，研究比选换乘节点处的大跨结构形式。

2 工程概况

苏州轨道交通8、10号线换乘站相城大道站位于阳澄湖中路和相城大道交叉口，其中，8号线沿阳澄湖中路东西向敷设，为近期建设的地下两层岛式站，10号线沿相城大道南北向敷设，为远期建设的地下三层岛式站。两线换乘节点的地下三层结构近期建设，地下一层站厅设置为圆形无柱换乘大厅，东西向结构跨度为27.1 m，南北向结构跨度为22.6 m，如图1所示。

图1 项目位置示意

车站结构的设计使用年限为100年，位于抗震设防烈度7度地区，抗震设防类别为重点设防类。车站范围内土层自上而下主要为:①1杂填土、①3素填土、③1黏土、③2粉质黏土、③3粘质粉土、④2粉砂、⑤1粉质黏土、⑥1黏土、⑥2粉质黏土，车站底板埋深约27.7 m，位于⑥2粉质黏土层。场地内历史最高潜水水位为2.63m，微承压水赋存于第一隔水层下的粉土、粉砂层中，最高微承压水位为1.74 m(均为1985国家高程)。

3 大跨结构方案拟定

车站站厅层结构跨度为27.1 m×22.6 m，远超普通地下结构跨度，根据站内空间效果要求，结合车站柱网布置形式，换乘节点大跨结构拟采用普通混凝土梁柱结构体系、密肋楼盖结构体系、钢-混凝土组合结构体系。各结构体系均由两道环梁+框架梁组成，普通混凝土梁柱结构和钢-混凝土组合结构内环均采用井字梁，板跨约6.6～10.3 m；密肋楼盖结构内环被双向密肋分割为较小的板块，板跨最大约3.5 m；外环板块跨度最大约11.6 m。为减小上部荷载重量，换乘节点处车站顶板局部上抬2.3 m，顶板覆土约1.9 m。

4 仿真计算分析

4.1 模型建立

采用数值仿真计算软件Midas Gen建立三维荷载-结构模型，对各种结构形式进行分析计算。地下结构的板墙构件采用板单元进行模拟，梁柱构件采用梁单元进行模拟。

模型范围包括整个换乘节点部分，并伸出车站标准段两跨，以弱化模型边界效应，底板、侧墙与周边土体采用面弹簧连接，计算模型如图2所示。

图2 三维数值计算模型

4.2 结构材料

各结构体系的混凝土板、墙、梁构件采用C35混凝土，框架柱采用C50混凝土，型钢梁、柱采用Q355B钢材。

4.3 计算工况及计算荷载

(1)计算工况

根据工程实际情况，分别考虑车站施工和使用阶段，对其计算结果进行包络组合，取荷载基本组合的最不利值验算构件强度，荷载准永久值组合的最不利值验算构件裂缝宽度(控制值0.3 mm)和结构变形值(控制值L0/400)。

(2)计算荷载

①永久荷载

a.结构自重:钢筋混凝土结构重度γ=25 kN/m3；b.地层压力:土体容重、侧压力系数取各土层加权平均值，分别取γ=20 kN/m3和K0=0.5；c.设备重量:内部设备按等效荷载8 kPa；d.水压力及浮力:水容重γ=10 kN/m3，抗浮设防水位取至地面。

②可变荷载

a.人群荷载取4 kPa；b.地面超载按等效均布荷载取20 kPa；c.车辆荷载考虑动力效率按等效均布荷载取30 kPa；d.施工超载按等效均布荷载取10 kPa。

4.4 结构内力计算结果

普通钢筋混凝土结构与钢-混凝土组合结构体系的受力状态基本一致，板最大内力出现在中间及四个角部，梁最大内力集中在短边方向的框架梁上，如图3～图6所示。

图3 普通钢筋混凝土结构板弯矩(单位:kN·m)

图4 普通钢筋混凝土结构梁弯矩(单位:kN·m)

图5 钢-混凝土组合结构板弯矩(单位:kN·m)

图6 钢-混凝土组合结构梁弯矩(单位:kN·m)

密肋楼盖结构由于中间梁密集，结构刚度较大，中间位置的板内力较小，板最大内力集中在四个角部，梁最大内力仍集中在短边方向的框架梁上，如图7～图8所示。

图7 密肋楼盖结构板弯矩(单位:kN·m)

图8 密肋楼盖结构梁弯矩(单位:kN·m)

不同结构构件内力计算结果如表1所示，密肋楼盖结构肋梁将板分割为多个小块，内环梁范围内顶板内力最小，外环四个角部的板弯矩与其余两种结构相差不大，但是剪力减小约25%。密肋楼盖结构上部荷载被多根间距较小的肋梁分担，每根肋梁承担的弯矩较小，钢-混凝土组合结构的梁刚度较大，承担内力较密肋梁大，其中，短边主梁和长边次梁弯矩较密肋楼盖结构分别增加3.6%～4.8%、20.9%～50.7%；普通钢筋混凝土结构内力远超过前两种结构，短边主梁和长边次梁弯矩较密肋楼盖结构分别增加7.2%～16.6%、29.7%～102.0%，较钢-混凝土组合结构分别增加3.5%～10.7%、5.4%～34.1%。三种结构短边方向的主梁剪力较为接近，但密肋梁长边方向的次梁剪力相较其他两种结构减小约25%。

表1 不同结构形式的构件内力计算结果对比

三种结构体系支座处的弯矩明显大于跨中处，是由于支座处多根梁连接，根据弯矩平衡理论，大跨结构梁支座处弯矩较大是合理的。

4.5 板梁构件尺寸

根据上述内力计算结果，分别核算结构强度和裂缝宽度，拟定构件尺寸，如表2所示。

表2 不同结构形式的梁板构件尺寸对比

三种结构体系的板结构尺寸和配筋相差不大，密肋楼盖结构内环范围内板尺寸有一定优化。普通钢筋混凝土结构和密肋楼盖结构的梁构件尺寸和配筋均较大，普通钢筋混凝土结构的梁宽和梁高相较钢-混凝土组合结构分别增加了20.0%、18.2%，配筋量增加了200%，密肋楼盖结构的梁宽和梁高相较钢-混凝土组合结构分别增加了20.0%、9.1%，配筋量增加了171%，另外，两种结构梁的裂缝宽度均大于钢-混凝土组合结构。型钢混凝土梁的截面刚度由混凝土和型钢两部分组成，即EI=EcIc+EaIa(EcIc为钢筋混凝土部分的截面抗弯刚度，EaIa为型钢部分的截面抗弯刚度)，组合结构中的型钢极大提高了整个截面的强度，有效分担了结构内力，能在一定程度上优化构件截面尺寸。

同时，从结构变形上看，顶板竖向位移最大点均发生在圆形顶板中心位置，钢-混凝土组合结构的顶板变形最小，约为18.9 mm，满足规范的结构挠度限值，另外两种结构的变形基本一致，较钢-混凝土组合结构增大约12%左右，当结构尺寸减小时，变形会有一定程度的增加。

4.6 框架柱构件尺寸

在地下结构柱的设计中，为了保证地震工况下框架柱的塑性变形能力和抗倾塌能力，通常对普通混凝土框架柱的轴压比进行限制，期望柱不发生屈服且最终为大偏心破坏[4-5]。圆形钢管混凝土柱由于圆钢管对核心混凝土的套箍约束作用，核心混凝土处于三向受压状态，使其具有更高的抗压强度和压缩变形能力；另外，由于钢管内填混凝土的支撑作用，改变空钢管的失稳模态，轴压比的限值通常高于稳定系数，可不作为设计的控制因素[6-7]；但根据试验结果，在宽厚比和内填混凝土强度相同的情况下，轴压比较低时，钢管混凝土柱有良好的延性和耗能能力，设计时将轴压比维持较小值对抗震有利[8-9]。

框架柱地下三层轴力设计值约27 611 kN，是标准段车站框架柱压力的三倍左右，若采用普通混凝土结构，根据现行抗震设计规范要求，考虑箍筋的加强作用时，本工程中柱轴压比限值为0.90，需采用φ1 400(C50砼)的圆柱，若采用φ1 100钢管圆柱，轴压比仅为0.45，截面尺寸要远优于普通混凝土柱，站内空间效果更佳。

5 钢-混凝土梁柱节点应用要点

大跨结构内环柱节点处有多根梁交叉，连接复杂，安全可靠的节点设计是保证结构正常工作的前提，需确保节点具有良好的受力及抗震性能。研究表明，钢-混凝土梁柱节点在低周期反复荷载下有较好的刚度和延性，可提高节点的抗裂度和抗剪承载力，增加结构的耗能能力，防止节点脆性破坏[10]，钢-混凝土组合结构节点的延性和耗能能力均要优于普通钢筋混凝土节点。

钢-混凝土组合结构节点不同于一般的混凝土结构，仅通过钢筋与混凝土的相互锚固作用连接，设计时应考虑足够的强度连接和现场的可实施性。钢管柱内、外圈设置环板和加劲肋板，梁内型钢与环板预先加工焊接，并在连接板上焊接短钢筋，型钢柱吊装就位后，利用直螺纹套筒将钢筋接长，梁纵向上、下排钢筋与其平面焊接，避免仰焊[11]；主、次梁交叉处，梁上排纵向钢筋标高错开，避免纵横向钢筋相碰，同时在型钢梁腹板及加劲肋板上预留穿钢筋的孔洞[12]。

为确保施工质量良好，型钢梁和钢管柱安装时，应严格控制轴线精度、标高、垂直度、焊接质量，在梁柱接头处和梁的型钢翼缘混凝土浇捣较困难，需预留排气孔和混凝土浇筑孔[13]。

6 结束语

(1)钢-混凝土组合结构刚度大，承载能力强，梁、柱结构尺寸均要优于普通钢筋混凝土结构、密肋楼盖结构，结构延性及抗震性能更为优良，在空间效果要求高或结构受力复杂的地下换乘车站设计时，可予以优先考虑。

(2)在结构跨度较大时，钢-混凝土组合结构对变形的控制效果有限，增大结构截面尺寸，可在一定程度上减小整体变形。

(3)钢-混凝土组合结构节点处连接较为复杂，在设计应考虑连接强度的有效性和可实施性，施工时应严格精度，确保施工质量。

(4)由于地铁车站换乘节点平面范围和深度较大，与车站标准段通常分开实施，但钢-混凝土组合结构通常要求一次性成型，有必要根据车站周边环境，制定合理的基坑施工和结构浇筑方案，以保证大跨结构的顺利实施。