交通中心下方合建地鐵車(chē)站主體受力特點(diǎn)分析

李詩(shī)堯，邵 文

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

伴隨著城市土地資源日趨緊張和城市空間立體思路的發(fā)展，地鐵已成為人們利用地下空間，緩解地面交通，實(shí)現(xiàn)人車(chē)立體分流，保護(hù)文物古跡的一種有效形式。一個(gè)城市的地鐵網(wǎng)絡(luò)中，通常會(huì)有幾座車(chē)站選擇設(shè)置在該市與外界發(fā)生交流互通的樞紐節(jié)點(diǎn)上，例如火車(chē)站、高鐵站、飛機(jī)場(chǎng)等，以便有效將市內(nèi)交通和對(duì)外交通進(jìn)行連接，使高鐵站、飛機(jī)場(chǎng)等市政工程的功能更加健全。這類(lèi)設(shè)置在交通樞紐處的地鐵車(chē)站，通常會(huì)選擇與地上建筑進(jìn)行合建，以便節(jié)省投資、縮短工期等。這類(lèi)地鐵車(chē)站與普通車(chē)站在設(shè)計(jì)過(guò)程中的受力特點(diǎn)有所不同。本文選擇了我國(guó)西北某市內(nèi)一座與機(jī)場(chǎng)交通中心合建的地鐵車(chē)站作為研究對(duì)象，對(duì)這類(lèi)地鐵車(chē)站主體的受力特點(diǎn)進(jìn)行研究。

1 研究背景

所選車(chē)站屬該市機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建市政配套工程，位于機(jī)場(chǎng)交通中心下方，與上部結(jié)構(gòu)合建。車(chē)站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)形式，承受上部交通中心的荷載，整體可視為上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，上部交通中心的荷載通過(guò)轉(zhuǎn)換梁和隔震支座，以節(jié)點(diǎn)荷載的形式作用在車(chē)站結(jié)構(gòu)的框架柱和側(cè)墻上。車(chē)站主體并非位于交通中心正下方，而是沿南側(cè)邊界與交通中心平行布置，因而上部荷載數(shù)值不均勻，靠近中心線(xiàn)一側(cè)荷載普遍大于外側(cè)，造成車(chē)站整體存在偏壓。此外，因上部結(jié)構(gòu)荷載作用，靠近中心線(xiàn)一側(cè)側(cè)向壓力也大于外側(cè)。

車(chē)站全長(zhǎng)245 m，為地下兩層明挖14 m站臺(tái)島式車(chē)站，標(biāo)準(zhǔn)段寬度23.3 m，主體高14.6 m，車(chē)站縱向柱距9 m，橫向柱距6.5 m，圍護(hù)形式為鉆孔樁加內(nèi)支撐，明挖順作法施工[1]。建設(shè)場(chǎng)地內(nèi)地形整體平坦開(kāi)闊，地貌單元區(qū)為山前傾斜沖、洪積礫質(zhì)平原區(qū)，主體結(jié)構(gòu)處于無(wú)水卵石地層，密實(shí)度好，土層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

2 車(chē)站模型建立

地鐵車(chē)站與上部交通中心位置關(guān)系橫斷面如圖1所示。

圖1 地鐵車(chē)站與上部交通中心位置關(guān)系(單位：mm)

2.1 車(chē)站主體構(gòu)件尺寸

車(chē)站結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸及材料如表2所示[2]。

表2 結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸及材料

2.2 車(chē)站主體承受荷載

車(chē)站主體承受的主要荷載包括側(cè)向土壓力、頂板上部荷載(恒載+活荷載)、站廳層荷載(恒載+活荷載)、上部交通中心壓力(恒載+活荷載)、結(jié)構(gòu)自重、超載等。偶然荷載考慮地震荷載，因上部結(jié)構(gòu)關(guān)系，人防荷載不受控制[3-4]。主體橫斷面受力示意如圖2所示。

圖2 主體橫斷面受力示意

本車(chē)站的特殊之處在于上部交通中心的集中壓力荷載，由圖1可以看出，上部交通中心荷載通過(guò)轉(zhuǎn)換梁將壓力荷載分擔(dān)在隔震支座上，進(jìn)而以點(diǎn)荷載的形式作用于車(chē)站結(jié)構(gòu)柱和側(cè)墻上。由于地鐵車(chē)站處于交通中心一側(cè)下方，上部壓力存在偏壓，圖2左側(cè)壓力荷載約為右側(cè)的兩倍。本文分析的主要荷載組合如表3所示[5-6](括號(hào)內(nèi)為對(duì)結(jié)構(gòu)有利情況)。

表3 荷載組合

2.3 車(chē)站主體建模

車(chē)站主體承受的上部交通中心壓力值不同位置差別很大，不具備規(guī)律性，且荷載值較大，應(yīng)視為主要控制荷載。鑒于此，在受力分析時(shí)，選擇Midas Gen軟件進(jìn)行三維有限元建模分析[7-8]，構(gòu)件尺寸按表2確定，其中頂、中、底縱梁和結(jié)構(gòu)柱為梁?jiǎn)卧?、中、底板和墻為板單元，邊界條件選擇面彈性支撐，豎向基床系數(shù)取90 MPa/m，側(cè)向基床系數(shù)取85 MPa/m。模型總共有節(jié)點(diǎn)19 931個(gè)，單元21 552個(gè)。

3 模型計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)模型進(jìn)行靜力線(xiàn)性分析，可以得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力，結(jié)構(gòu)底板沿車(chē)站長(zhǎng)度方向彎矩分布規(guī)律一致，上部彎矩峰值點(diǎn)出現(xiàn)在支座處(結(jié)構(gòu)柱支座和墻支座)，下部彎矩峰值點(diǎn)出現(xiàn)在跨中，且上部彎矩峰值為下部彎矩峰值2～3倍。

圖3為底板典型代表面基本組合下結(jié)構(gòu)彎矩圖，可以看出，彎矩峰值在25軸處，基本組合下車(chē)站主體結(jié)構(gòu)25軸橫斷面的彎矩如圖4所示(包含頂、中、底板和側(cè)墻)。

圖3 基本組合下結(jié)構(gòu)底板彎矩圖(部分)(單位：kN·m)

圖4 基本組合下結(jié)構(gòu)25軸橫剖面彎矩圖(單位：kN·m)

可以看出，底板彎矩峰值為頂板和中板彎矩峰值的十幾倍。此外，不同于一般的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)車(chē)站，該車(chē)站頂板兩個(gè)柱支座處的彎矩方向相反，這會(huì)造成頂板此兩處位移差別較大，中板與頂板有相同規(guī)律。

底縱梁的彎矩要遠(yuǎn)大于頂、中縱梁，且由于靠近中心線(xiàn)一側(cè)上部結(jié)構(gòu)壓力荷載大于外側(cè)，導(dǎo)致兩條底縱梁的彎矩雖有相似的分布規(guī)律，但數(shù)值差別很大。基本組合下結(jié)構(gòu)頂、中、底縱梁彎矩如圖5所示。

圖5 基本組合下結(jié)構(gòu)梁彎矩圖(部分)(單位：kN·m)

將結(jié)構(gòu)各構(gòu)件基本組合和準(zhǔn)永久組合下彎矩最大值進(jìn)行匯總，如表4所示。

表4 結(jié)構(gòu)各構(gòu)件最大彎矩匯總 kN·m

3.2 結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果與分析

準(zhǔn)永久組合下結(jié)構(gòu)頂板的豎直方向變形情況如圖6所示，準(zhǔn)永久組合下結(jié)構(gòu)中板的豎直方向變形情況如圖7所示。

圖6 準(zhǔn)永久組合下結(jié)構(gòu)頂板豎向變形(單位：m)

圖7 準(zhǔn)永久組合下結(jié)構(gòu)中板豎向變形(單位：m)

可以看出，準(zhǔn)永久組合下結(jié)構(gòu)頂板豎向的極限位移為0.016 m，25軸橫剖面兩柱支座豎向相對(duì)位移為0.01 m；中板豎向的極限位移為0.012 m，25軸橫剖面兩柱支座豎向相對(duì)位移為0.007 m，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

準(zhǔn)永久組合下結(jié)構(gòu)底板的豎向沉降值如圖8所示，準(zhǔn)永久組合下結(jié)構(gòu)墻豎向位移值如圖9所示。

圖8 準(zhǔn)永久組合下結(jié)構(gòu)底板豎向沉降(單位：m)

圖9 準(zhǔn)永久組合下側(cè)墻豎向變形(部分)(單位：m)

可以看出，結(jié)構(gòu)底板最大沉降為0.008 m，滿(mǎn)足規(guī)范要求。此處底板沉降小于頂板位移差值，是由于柱子承受很大的軸心壓力時(shí)，本身會(huì)產(chǎn)生一定程度的壓縮變形[9]。

側(cè)墻上部豎向位移要大于下部，這主要和側(cè)墻承受上部交通中心的豎向壓力較大有關(guān)。

表5為結(jié)構(gòu)各構(gòu)件內(nèi)節(jié)點(diǎn)在準(zhǔn)永久組合下的位移峰值。

表5 準(zhǔn)永久組合下結(jié)構(gòu)各構(gòu)件內(nèi)節(jié)點(diǎn)各向位移峰值 mm

由表5可以看出，結(jié)構(gòu)整體沿重力方向沉降比較明顯，且結(jié)構(gòu)柱受壓產(chǎn)生了壓縮變形；又由于車(chē)站橫向兩側(cè)壓力荷載有差別，導(dǎo)致兩側(cè)存在位移差。

3.3 結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算

按照《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50909—2014)的規(guī)定[10]，對(duì)該車(chē)站在E2、E3地震作用下的結(jié)構(gòu)整體變形性能進(jìn)行驗(yàn)算[11-13]。

車(chē)站結(jié)構(gòu)在E2地震作用下橫剖面的變形值如圖10所示。由圖10可知，在E2地震作用下，結(jié)構(gòu)負(fù)一層最大彈性層間位移比為1/3 425，負(fù)二層最大彈性層間位移比為1/586，根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》索引的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)[14]，E2地震作用下結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值為1/550，故在E2地震作用下結(jié)構(gòu)變形滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖10 E2地震作用下結(jié)構(gòu)變形值(單位：m)

車(chē)站結(jié)構(gòu)在E3地震作用下橫剖面的變形值如圖11所示。由圖11可知，在E3地震作用下，結(jié)構(gòu)負(fù)一層最大層間位移比為1/2 283，負(fù)二層最大層間位移比為1/352，根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，E3地震作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層間位移角限值為1/250，故在E3地震作用下結(jié)構(gòu)變形滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖11 E3地震作用下結(jié)構(gòu)變形值(單位：m)

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)我國(guó)西北某市內(nèi)與機(jī)場(chǎng)交通中心合建的地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)研究，得到了以下結(jié)論和建議。

(1)由于承受上部結(jié)構(gòu)集中荷載作用，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力比日常標(biāo)準(zhǔn)車(chē)站大，且內(nèi)力分布形式也不同。

(2)由車(chē)站梁板受力特點(diǎn)看出，車(chē)站整體可視為上部結(jié)構(gòu)的條形基礎(chǔ)。

(3)由于軸心受壓，結(jié)構(gòu)柱存在一定程度的壓縮變形，且由于車(chē)站兩側(cè)壓力荷載差別，導(dǎo)致存在變形差。

(4)車(chē)站整體沿重力方向有一定沉降，且兩側(cè)存在沉降差，和結(jié)構(gòu)柱變形差一起，導(dǎo)致頂板兩側(cè)位移差約10 mm，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)引起注意。

(5)該車(chē)站在地震荷載作用下，下部位移比上部位移要大，這和日常標(biāo)準(zhǔn)車(chē)站的倒梯形位移分布有所區(qū)別。

通過(guò)建模分析，對(duì)機(jī)場(chǎng)交通中心下方地鐵車(chē)站的主體受力特點(diǎn)有了一定研究。近些年來(lái)，隨著綜合交通樞紐的理念不斷完善和發(fā)展，與上部結(jié)構(gòu)合建的地鐵車(chē)站有很多，比如武漢天河機(jī)場(chǎng)站、鄭州新鄭機(jī)場(chǎng)站等。地鐵建設(shè)的這一趨勢(shì)，意味著套用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)站受力模式進(jìn)行車(chē)站主體受力分析是有局限性的，荷載作用形式、位置、大小的變化，都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生影響，這種影響有時(shí)體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布方面，有時(shí)體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)不同部位的位移差。本文提供的僅是一種分析思路，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)做到具體問(wèn)題具體分析。