城际铁路地下车站公共区域大跨无柱结构设计

2023-10-14蒙蛟

铁道勘察 2023年5期

蒙蛟

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

传统城际铁路地下车站常在公共区域设置大量的结构柱,存在割裂空间、限制人流等问题。因此,空间利用率更高,视觉效果更佳的无柱车站应用前景广阔[1-2]。目前,无柱结构多应用于地铁建设上,并取得了一定的成果,如雷崇通过分析提出地下双层岛式车站较为合理的结构方案[3];李国清对各专业进行总结,提出暗挖大拱无柱车站的优缺点[4];李江乐等开展无柱大跨地铁车站模型的地震振动台模拟试验[5];宋冉等计算分析装配式地下车站结构的整体变形、局部接头变形、结构应力和内力,验证装配式无柱车站结构的可靠性[6]。

城际铁路与地铁相比,车型、行车组织、运行速度均不相同,导致车站结构在站台长度、宽度、层高等方面存在显著差异[7]。目前,在城际铁路站中采用无柱结构的研究较少且无成熟技术可供参考。以岐江新城站方案设计为依托,提出多种无柱断面结构型式优化比选,以期为类似工程提供经验参考。

1 工程概况

拟建南沙至珠海(中山)城际铁路采用市域D 型列车、CBTC 系统,设计速度160 km/h,公交化运营。岐江新城站为地下三层岛式车站,长263 m,站台宽12 m,基坑深27.2 m,设置2 座出入口及2 组风亭,采用明挖法施工。为满足公共区站台门退台距离和站台层布置需要,公共区采用无柱设计,岐江新城车站总平面见图1。

受车型、车速和设备布置等方面的限制,城际铁路地下车站层高大于传统地铁车站,站台层最为明显,由此带来更大的构件尺寸。岐江新城站公共区设计无柱结构段跨度为22.9 m,顶板厚度为1.2 m,中板厚0.7 m,底板厚1.4 m,侧墙厚1.2 m。根据钻孔揭露,场地土层自上而下可分为:第四系填土层、海陆交互相沉积层、残积层、燕山期花岗岩,其中车站所处土层自上而下为素填土、淤泥、粉质黏土、砾质黏性土与全风化花岗岩。岐江新城车站断面见图2。

图2 岐江新城车站横断面(高程单位:m;其余:mm)

2 车站底板抗拔桩减跨方案

2.1 抗拔桩设计

岐江新城站属地下三层车站,埋深较大,导致底板需承受较大浮力。无柱结构底板缺少有效跨中支座,荷载随跨度急剧增加,常规结构尺寸难以满足需要,需采用相应措施降低跨中弯矩。针对地铁无柱车站抗浮设计,有学者提出底板设抗拔桩减跨的方案[8-9]。为了研究比选单排和双排抗拔桩的作用效果,提出2 种车站抗拔桩减跨方案,方案一为在底板跨中位置设置单排抗拔桩;方案二为在底板1/3 跨位置设置双排抗拔桩,见图3。其中,抗拔桩桩长25 m,桩径1.3 m,纵向间距6 m。

图3 抗拔方案设计

2.2 计算模型及参数

采用MIDAS GTS NX 软件进行模拟计算,按车站长度方向取单位长度建立荷载结构计算模型,将车站结构简化为平面框架,车站结构与周围土体间相互作用采用仅受压地基弹簧模拟。水压力按地下水位处于地表位置考虑,抗拔桩采用桩体弹簧单元模拟,弹簧单元刚度按式(1)计算,有

式中,K为弹簧单元刚度;E为桩体弹性模量;A为抗拔桩桩体截面积;L为抗拔桩桩长;Z为抗拔桩纵向间距。

计算时,假定车站处于运营期,忽略地连墙承载作用,周围荷载均由车站结构承担,围护结构仅作为主体结构的安全储备。岐江新城车站结构计算模型见图4,模拟过程中所需参数见表1。

表1 数值计算参数

图4 岐江新城车站结构计算模型示意

2.3 计算结果

不同抗拔桩方案下车站结构弯矩见图5。在底板位置设置抗拔桩时,相当于在底板增加支座,使得抗拔桩位置处底板弯矩大幅降低,且底板各位置受力均明显改善,但顶板处受力无显著变化。

图5 不同抗拔桩方案下车站结构弯矩量值(单位:kN·m)

底板未设抗拔桩时,底板跨中和支座弯矩分别为9 758.3 kN·m 和12 822.2 kN·m,底板、侧墙截面无法承受此荷载。底板设双排抗拔桩后,跨中和支座处弯矩分别减小67.5%和69.4%;底板设置单排抗拔桩比设双排抗拔桩的方案,弯矩仅增加4.2%。底板设置单排抗拔桩,显著改善底板受力的同时,在施工难度和经济性方面更具优势。

3 无柱城际铁路站结构断面设计

3.1 车站结构断面选型

相较于传统的有柱车站,无柱车站由于立柱的取消,顶板及中板的跨度成倍增大,如何加强其承载能力,是无柱车站结构设计的重点。有学者提出,无柱车站结构常用型式有顶板设密肋梁、顶板施作为变截面板、顶板设为拱形等型式[10-11]。针对岐江新城站,共设计4 种结构断面方案进行比选。

(1)变截面顶板设计

车站顶板采用变截面板,即在顶板支座处加大腋角。设计腋角高1 m,腋角长5.1 m。车站断面结构见图6。

图6 变截面顶板车站设计断面(单位:mm)

(2)顶板加肋梁设计

在变截面方案基础上,车站顶板加横向肋梁,肋梁断面采用1 m×1 m,纵向间距设为1 m。由于顶板加肋会影响负一层使用空间,故车站顶板上移1 m。数值计算时,将加肋顶板等效为同刚度矩形板[12],矩形板高1.9 m。顶板加肋梁车站断面见图7。

(3)拱形顶板设计

车站顶板采用拱形设计,为满足拱顶既有管线埋设要求,车站顶部需预留一定厚度土体,故控制顶板埋深不少于2 m。从结构力学合理拱轴线出发,为减小顶板弯矩,充分发挥混凝土材料抗压性能,顶板起拱高度设计为2 m,埋深2.08 m。拱形顶板车站断面见图8。

图8 拱形顶板车站设计断面(单位:mm)

(4)拱形顶板+拱形底板设计

车站顶板及底板均采用拱形设计,顶板拱高2 m,底板拱高1 m。车站断面见图9。

图9 拱形顶板+拱形底板车站设计断面(单位:mm)

3.2 计算结果

采用MIDAS GTS NX 软件进行模拟计算,按车站长度方向取单位长度建立荷载结构计算模型,将车站结构简化为平面框架,车站结构与周围土体间相互作用采用仅受压地基弹簧模拟[13-15]。荷载基本组合下拱形顶板车站结构断面内力见图10。

图10 拱形顶板车站结构内力

由图10 可知,车站负三层侧墙底支座及底板两端支座弯矩量值和剪力量值均较大,轴力量值较大处位于车站负三层侧墙、第二层中板及底板,符合车站框架结构受力宏观规律。顶板由于起拱作用,使得弯矩量值降低,受力状况得到改善。

不同结构断面设计方案下,各车站结构特征位置处弯矩量值见图11。

图11 不同断面下车站特征位置处弯矩量值

采用变截面顶板时,可改善顶板跨中位置受力,使得荷载基本组合下顶板跨中位置弯矩变为3 256.33 kN·m,相较于仅底板设立抗拔桩,弯矩降低幅度为12.35%。但由于顶板支座处断面增加,刚度提高,使得顶板支座处受力有略微增加。

采用顶板加肋梁可改善顶板支座受力,顶板支座位置弯矩变为3 743.51 kN·m,降低幅度为25.6%。但由于顶板跨中位置刚度增大,使得其弯矩值增大为5 280.48 kN·m,增长幅度为42.13%。

当顶板设置为拱形时,顶板跨中及支座位置受力均得到明显减小,顶板跨中位置弯矩降低幅度为63.85%,支座位置降低幅度为51%。且底板支座处弯矩值也有一定程度下降,降低幅度为7.85%。当底板也设为拱形时,相较于单顶板为拱形,可进一步降低底板支座弯矩量值,但相较于单设置顶板拱形降低幅度仅为1.49%。且顶板跨中与顶板支座处弯矩量值反而增加。因此,推荐采用顶板设置为拱形的车站结构断面方案。