采用壓頂梁抗浮的地鐵車站主體結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)分析

郭正偉

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司鄭州設(shè)計院，450001，鄭州∥工程師）

采用壓頂梁抗浮的地鐵車站主體結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)分析

郭正偉

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司鄭州設(shè)計院，450001，鄭州∥工程師）

在明挖地鐵車站抗浮設(shè)計中越來越多地采用的壓頂梁抗浮型式。該型式具有易于與圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合使用、施工簡便、抗浮性能可靠等優(yōu)點。將壓頂梁和圍護(hù)結(jié)構(gòu)二者結(jié)合作為抗浮壓重措施，對地鐵車站主體結(jié)構(gòu)利用有限元軟件建立足尺三維荷載-結(jié)構(gòu)模型，從理論上對抗浮工況下地鐵車站主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，揭示壓頂梁作用下地鐵車站結(jié)構(gòu)的一系列力學(xué)響應(yīng)。研究表明：在浮力和壓頂梁共同作用下，車站結(jié)構(gòu)頂板呈下沉狀態(tài)，浮力影響主要通過側(cè)墻傳遞至頂板，結(jié)構(gòu)抗浮滿足要求；底板位移呈山峰狀分布，底板中部為結(jié)構(gòu)抗浮不利部位，宜增設(shè)必要的抗浮措施，如抗拔樁等；底板配重可較好地約束浮力作用下底板結(jié)構(gòu)的上浮變形，且變形更均勻；車站結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)裂縫，但通過配筋設(shè)計可使裂縫控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，滿足正常使用要求。

地鐵車站；壓頂梁抗?。粐o(hù)結(jié)構(gòu)；力學(xué)響應(yīng)

Author＇s address Zhengzhou Design Institute，China Railway Engineering Consultanting Group Co.，Ltd.，450001，Zhengzhou，China

1　工程背景

在明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中常遇到地下水位高、抗浮驗算不滿足要求的案例。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及技術(shù)要求，在此種情況下應(yīng)采取抗浮措施。壓頂梁作為一種抗浮手段，具有易與圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合使用、經(jīng)濟性好、施工簡便、抗浮性能可靠等優(yōu)點，從而得到越來越廣泛的應(yīng)用。

本文以在建的鄭州市軌道交通3號線一期工程沙門路站為工程背景，研究壓頂梁作用下地鐵車站主體結(jié)構(gòu)整體受力及變形特征。

沙門路站為地下兩層標(biāo)準(zhǔn)車站，沿長興路南北向跨沙門路路口設(shè)置。車站主體結(jié)構(gòu)為地下兩層兩跨箱型框架結(jié)構(gòu)。車站采用11.0 m單柱島式站臺，共設(shè)置3個出入口。車站兩端均設(shè)置盾構(gòu)工作井和風(fēng)道。車站頂板覆土厚約3.0 m，底板埋深約16.39 m（盾構(gòu)井底板埋深約18.07 m）。車站標(biāo)準(zhǔn)段總寬度20.10 m，總高度13.39 m。盾構(gòu)井段總寬度24 m，總高度15.07 m。車站主體結(jié)構(gòu)總長度233.40 m。車站總平面圖如圖1所示。

2　站址水文、地質(zhì)條件及抗浮水位

2.1地質(zhì)條件

車站結(jié)構(gòu)埋深范圍內(nèi)土層自上而下依次為：雜填土，粉土，粉質(zhì)黏土，粉砂，細(xì)砂等。根據(jù)地質(zhì)勘察報告。巖土參數(shù)如表1所示。

圖1　鄭州軌道交通3號線沙門路車站總平面圖

表1　巖土參數(shù)表

2.2水文條件及抗浮水位

含水層主要以粉土、粉細(xì)砂為主，局部為中砂。含水層屬中等透水層，富水性中等。根據(jù)GB/T 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》，結(jié)構(gòu)環(huán)境類別為一般環(huán)境，迎土側(cè)為Ⅰ-C，站內(nèi)為Ⅰ-A。

勘察實測地下水位埋深為5.50～6.50 m，水位高程為89.40～90.40 m，平均水位高程為88.90 m，水位埋深最深為7.0 m。地下水水位年變化幅度約為2.0 m。根據(jù)區(qū)域資料，場地內(nèi)近3～5年的最高水位埋深為5.0 m左右。

抗浮設(shè)計水位應(yīng)按設(shè)計基準(zhǔn)期最高平均水位或歷史最高水位考慮。鑒于豐水期與枯水期的水位變化，抗浮水位按地面下1.0 m（絕對高程約94.90 m）計算。

3　車站抗浮計算

3.1車站結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

車站主體采用梁柱箱型框架結(jié)構(gòu)。主要構(gòu)件的計算參數(shù)見表2。車站主體標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面圖如圖2所示。

表2　車站結(jié)構(gòu)主體各構(gòu)件參數(shù)表

圖2　車站主體標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面圖

3.2地鐵車站抗浮壓頂梁

明挖地鐵車站常用的主要圍護(hù)形式為地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁。壓頂梁可結(jié)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)冠梁統(tǒng)一設(shè)置，也可以單獨設(shè)置（見圖3）。其中，如圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，但主體結(jié)構(gòu)覆土較厚而冠梁較淺從而導(dǎo)致壓頂梁只能單獨設(shè)置，則采用圖3 c）的型式。

3.3車站標(biāo)準(zhǔn)段抗浮計算

抗浮計算荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值。主要計算荷載為總壓重及總浮力。其中，總壓重包括頂板土壓力（地下水位以下取浮重度）及結(jié)構(gòu)自重。車站結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)按最不利情況進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗算，當(dāng)不計地層側(cè)摩阻力時，抗浮安全系數(shù)不應(yīng)小于1.05；當(dāng)計及地層側(cè)摩阻力時，根據(jù)不同地區(qū)的地質(zhì)和水文條件，可采用1.10～1.15抗浮安全系數(shù)。

圖3　常見抗浮壓頂梁型式

本工程抗浮計算不考慮地層側(cè)摩阻力，且不考慮車站內(nèi)設(shè)備和車輛自重。經(jīng)驗算，車站標(biāo)準(zhǔn)段抗浮安全系數(shù)為0.893（＜1.05），不滿足抗浮要求；盾構(gòu)井段抗浮安全系數(shù)為0.936（＜1.05），也不滿足抗浮要求。故車站結(jié)構(gòu)須采取抗浮措施。

本工程設(shè)計采用壓頂梁抗浮。壓頂梁截面尺寸為1 000 mm×1 500 mm。與壓頂梁結(jié)合的鉆孔灌注樁直徑為1 000 mm，樁心距為1 300 mm，樁長為23.60 m。盾構(gòu)井位置的鉆孔灌注柱直徑為1 000 mm，樁心矩為1 200 mm，樁長為26.60 m。壓頂梁與鉆孔灌注樁均采用C35混凝土。材料參數(shù)見表2。

3.4建立模型

本計算模型根據(jù)工程的設(shè)計圖紙，結(jié)合地勘報告提供的相關(guān)參數(shù)，確定計算模型中各部分的參數(shù)，采用MIDAS-GTS軟件建立足尺三維荷載-結(jié)構(gòu)模型。主體結(jié)構(gòu)與風(fēng)道、出入口結(jié)合部位設(shè)置變形縫隔離。其他結(jié)構(gòu)（如頂/中板開孔、側(cè)墻開洞、盾構(gòu)井部位回填混凝土等）將在計算模型中予以考慮。

車站主體結(jié)構(gòu)按實體單元計算；水、土壓力荷載按水、土分別計算；側(cè)向水、土壓力施加于側(cè)墻；不考慮圍護(hù)樁的分擔(dān)作用；圍護(hù)樁和壓頂梁的自重（扣除圍護(hù)樁自身浮力）按面荷載施加到結(jié)構(gòu)頂板壓頂梁作用的范圍內(nèi)；壓頂梁與車站結(jié)構(gòu)頂板間采用焊接連接。模型中圍護(hù)樁根據(jù)等質(zhì)量原則折算為地下連續(xù)墻（見圖4）。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)于出入口、風(fēng)道開洞部位斷開，故僅考慮洞口以上部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)壓重。結(jié)構(gòu)底板及側(cè)墻模型部件按僅受壓彈簧約束計算。三維計算模型如圖5所示。

圖4　圍護(hù)樁等質(zhì)量折算示意圖

圖5　圍護(hù)結(jié)構(gòu)三維計算模型

4　計算結(jié)果分析

4.1主體結(jié)構(gòu)頂板豎向位移

根據(jù)模型計算結(jié)果，建立結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段和風(fēng)道開口段頂板的豎向位移關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6　主體結(jié)構(gòu)頂板豎向位移

由圖6可見，在壓頂梁和圍護(hù)結(jié)構(gòu)壓重共同作用下，車站主體結(jié)構(gòu)頂板位移整體呈下沉狀態(tài)；標(biāo)準(zhǔn)段與風(fēng)道開口段曲線變形特征相似，但變形都極不均勻；邊墻部位下沉量均明顯減少（中部頂縱梁部位亦有部分減少）。這說明壓頂梁作用下浮力影響主要通過側(cè)墻傳遞至頂板。標(biāo)準(zhǔn)段下沉量大于風(fēng)道段，可見風(fēng)道開口部位壓重削弱（開口段圍護(hù)樁已破除）對頂板位移有較大影響。結(jié)構(gòu)整體抗浮是滿足要求的。

4.2主體結(jié)構(gòu)底板豎向位移

根據(jù)模型計算結(jié)果，建立結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段和風(fēng)道開口段底板的豎向位移關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7　主體結(jié)構(gòu)底板豎向位移

由圖7可見，在壓頂梁和圍護(hù)結(jié)構(gòu)壓重共同作用下，主體結(jié)構(gòu)底板位移整體上呈山峰狀分布，底板兩側(cè)（靠近側(cè)墻部位）下沉，底板中部呈上浮狀態(tài)。這說明底板中部為結(jié)構(gòu)抗浮不利部位，宜增設(shè)必要的抗浮措施（如抗拔樁等）。風(fēng)道開口側(cè)下沉量減少且中部隆起范圍更大。這說明風(fēng)道部位結(jié)構(gòu)底板抗浮削弱較多，有必要采取措施加強該部位的抗浮。

4.3盾構(gòu)井底板回填混凝土響應(yīng)分析

盾構(gòu)井由于盾構(gòu)機械始發(fā)或接收的要求，其底板較車站標(biāo)準(zhǔn)段下沉1.60 m。待區(qū)間施工完成后該部位采用素混凝土回填，下面分析回填混凝土前后底板的變形特征。

于盾構(gòu)井中部取一橫斷面，根據(jù)模型計算結(jié)果，建立底板回填混凝土和不回填混凝土兩種狀況下的位移關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖8　盾構(gòu)井底板豎向位移

由圖8可見，在壓頂梁和圍護(hù)結(jié)構(gòu)二者壓重共同作用下，盾構(gòu)井底板回填素混凝土后，底板豎向位移均呈下沉狀態(tài)，且底板變形更趨均勻。這說明底板配重可較好約束浮力作用下底板結(jié)構(gòu)上浮變形，且變形更均勻。這也是一種合理的抗浮措施。

4.4結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

4.4.1應(yīng)力分布

根據(jù)計算模型的設(shè)定，Z向為車站豎向，Y向為車站縱向，X向為車站橫向。三個方向的最大壓應(yīng)力為13.51 Mpa＜16.7 Mpa（C35混凝土抗壓強度），且沿Z向分布。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在立柱與頂、底板交接部位（即車站頂、底縱梁周邊）及風(fēng)道與車站主體交接部位（風(fēng)道環(huán)框梁），大小為1.71～2.04 Mpa＞1.57 Mpa（C35混凝土抗拉強度）?？梢?，結(jié)構(gòu)局部將出現(xiàn)裂縫。

4.4.2開裂部位的設(shè)計與驗算

車站底縱梁截面設(shè)計尺寸為1 000 mm×2 200 mm。根據(jù)模擬計算結(jié)果，底縱梁最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mk=6 700 kNm，而彎矩設(shè)計值M=9 949.5 kNm，裂縫寬度按GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》內(nèi)外側(cè)最大裂縫寬度為0.30 mm計。經(jīng)驗算，裂縫寬度為0.26 mm（＜0.30 mm）。故配22根φ32 mm鋼筋，布置為兩層，單側(cè)配筋率ρ= 0.80%，滿足規(guī)范要求。

車站頂縱梁截面設(shè)計尺寸為1 000 mm×1 800 mm，最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mk=4 822 k Nm，彎矩設(shè)計值M=7 161 kNm。經(jīng)驗算，裂縫寬度為0.26 mm（＜0.30 mm）。故配20根φ32 mm鋼筋，布置為兩層，單側(cè)配筋率ρ=0.89%，亦滿足規(guī)范要求。

風(fēng)道部位頂框梁截面設(shè)計尺寸為700 mm× 1 600 mm，最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mk=3 017 kNm，彎矩設(shè)計值M=4 480 k Nm。經(jīng)驗算，裂縫寬度為0.28 mm（＜0.30 mm）。故配13根φ32 mm鋼筋，布置為兩層，單側(cè)配筋率ρ=0.93%，亦滿足規(guī)范要求。

5　結(jié)語

綜上所述，本文將壓頂梁+圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為抗浮壓重，通過對抗浮工況下地鐵車站主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體受力分析，可得出以下結(jié)論：

（1）地鐵車站抗浮問題根本原因為水浮力大于結(jié)構(gòu)自身總重力。

（2）在浮力和壓頂梁共同作用下，車站主體結(jié)構(gòu)頂板位移整體呈下沉狀態(tài)，邊墻部位下沉量明顯較小，浮力影響主要通過側(cè)墻傳遞至頂板；風(fēng)道開口部位壓重削弱（開口段圍護(hù)樁已破除）對頂板位移有較大影響，但結(jié)構(gòu)整體抗浮是滿足要求的。

（3）在浮力和壓頂梁共同作用下，主體結(jié)構(gòu)底板位移整體上呈山峰狀分布，底板中部為結(jié)構(gòu)抗浮不利部位，宜增設(shè)必要的抗浮措施，如增設(shè)抗拔樁等；風(fēng)道開口部位結(jié)構(gòu)底板抗浮削弱較多，有必要采取措施加強該部位的抗浮。

（4）在浮力和壓頂梁共同作用下，底板配重可較好約束浮力作用下底板結(jié)構(gòu)的上浮變形，且變形更均勻，這也是一種較合理的抗浮措施。

（5）在浮力和壓頂梁共同作用下，車站結(jié)構(gòu)局部將出現(xiàn)裂縫，但通過配筋設(shè)計可使裂縫控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，滿足正常使用階段要求。

本文計算僅考慮壓頂梁+圍護(hù)結(jié)構(gòu)二者自重作為抗浮壓重措施，未考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體間摩阻力對抗浮的有利影響，但由于車站整體抗浮已滿足要求，故摩阻力可作為安全儲備。綜上所述，可將壓頂梁+圍護(hù)結(jié)構(gòu)二者自重作為抗浮壓重措施進(jìn)行計算，并在薄弱部位采取加強抗浮和抗裂措施，即可滿足使用要求。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.地鐵設(shè)計規(guī)范：GB 50157—2013［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50010—2010［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范：GB/T 50476—2008［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［4］ 張曠成，丘建金.關(guān)于抗浮設(shè)防水位及浮力計算問題的分析討論［J］.巖土土程技術(shù)，2007，21（1）：15.

［5］ 高海.地下水對某已建地下結(jié)構(gòu)的浮起作用分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［6］ 施仲衡，張彌.地鐵軌道設(shè)計與施工［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

［7］ 廣州市地下鐵道總公司，廣州市地下鐵道設(shè)計研究院.廣州地鐵二號線設(shè)計總結(jié)［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

Analysis of the Whole Response of Metro Station Main Structure Built with Anti-floating Coping Beam

Guo Zhengwei

Top beam is frequently adopted as the main antifloating measure in the design of open-cut metro station，which features compatibility with building envelope，simple construction and reliable performance related to anti-floating.In this paper，the combination of top beam and building envelope is adopted as one anti-floating measure，a full-scale 3D load structure model of metro station is performed by using the finite element software，to analyze theoretically the mechanical behavior of the main station structure in anti-floating condition.The application of the the combination reveals that the bilateralstation floors sink and the middle part uplifts，the buoyancy is transferred to the roof through lateral wall，while the corresponding anti-floating structure could meet the requirements specified in relative codes.The entire structure presents mountain-shaped deformation，while the middle position of floor bears unfavorable mechanics.Thus，the anti-floating measures shall be implemented to constrain buoyancy induced floating， which results in homogeneous structural deformation.Local fissures would appear at the station structure，but it still meets the requirement pertaining to the reinforcement design.

metro station；anti-floating coping beam；building envelope；mechanical response

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2016.03.015

（2015-05-26）