與市政橋梁合建的地鐵車站結構設計——以廈門地鐵呂厝站為例

趙 月

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 210017)

0 引言

伴隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的不斷增長，城市軌道交通已成為解決交通擁堵的最有效途徑，地鐵車站數(shù)量也在逐步增加。受城市既有環(huán)境條件的限制，地鐵工程難免會與既有市政工程在平面、立面上發(fā)生沖突。為更好地利用城市空間、提高工程的可靠性、降低工程造價，多行業(yè)建筑與地鐵融合建設的案例逐漸增多，如樓房與地鐵車站合建［1］、市政橋梁與地鐵合建［2－3］等。在以往的工程中，合建多指功能合建，結構上往往各自獨立，因此，結構受力分析模型相對比較簡單。本工程采用了上部橋梁基礎與地下車站結構頂板整體澆筑的結構形式，地下車站作為上部橋梁箱型基礎整體受力的設計思路，突破了建筑功能融合但結構受力需各自獨立的禁錮。本文以廈門市地鐵1號線與2號線換乘車站(呂厝站)與地面橋梁合建工程為基礎，總結該地鐵車站在對上部橋梁集中力處理、地基不均勻沉降、結構抗震等方面的設計思路及經(jīng)驗。

1 工程概況

廈門市地鐵1號線與2號線換乘車站(呂厝站)受線路條件限制，設置于一座市政橋梁的下方，該站采用十字換乘。其中，1號線車站為地下2層，采用明挖法施工;2號線為地下3層，采用半蓋挖法施工。市政橋梁雙向4車道，橋面寬15 m×2，主橋采用3聯(lián)3跨連續(xù)曲線鋼箱梁，30 m×3+(30+40+30)m+30 m×3=280 m，曲線半徑150 m?？紤]工程安全，經(jīng)過綜合比選及專家論證，對該市政橋梁采取拆除還建措施。該地鐵車站主體工程于2014年全面開工，目前該車站圍護結構已經(jīng)施作完成，正在進行基坑開挖。地鐵車站與既有橋的平面關系如圖1所示。

圖1 車站與既有橋平面關系圖Fig.1 Plan relationship between Metro station and existing bridge

2 設計理念

結合地下車站和橋梁的相互關系及結構特點，經(jīng)過技術、經(jīng)濟綜合比選，推薦采用地鐵車站與橋梁合建的結構體系。設計采用了地鐵結構作為上部橋梁箱型基礎，橋梁承臺作為地鐵結構抗浮措施的設計理念。橋梁主跨4#～9#承臺直接落于車站結構頂板上，與頂板整體澆筑，是典型的站－橋合建體系。還建橋梁承臺與車站的平面關系如圖2所示。

圖2 還建橋承臺與車站結構平面關系圖Fig.2 Plan relationship among proposed bridge bearing platforms and Metro stations

為保證合建結構體系在強度、變形、抗震、防水等方面均能滿足使用要求，確保結構變形協(xié)調(diào)，受力合理，設計中重點采取了以下措施。

2.1 車站結構對橋梁墩臺豎向集中荷載的處理

上部橋墩豎向集中力達9 000多kN，如果將該集中荷載直接作用于地鐵車站結構頂板上，地鐵結構厚度需要過度加大，既不合理也不經(jīng)濟。為控制上部橋梁局部集中力對地鐵結構的不利影響，地鐵車站結構設計中采取如下針對措施:1)地鐵車站橫向采用雙柱設計，中立柱縱向柱跨與上部橋梁跨度相匹配;2)橋梁的承臺橫向加長、斷面加大，并與地鐵結構頂板固接，橋梁墩臺集中力直接傳至地鐵結構中立柱，避免地鐵結構頂板承受橋梁荷載;3)在地鐵結構中立柱下設置樁基礎，承受上部橋梁荷載，為控制結構的不均勻沉降，樁基均采用摩擦端承樁(單樁直徑1.5 m，樁長35 m，設計承載力大于9 000 kN)。通過采取以上措施控制地鐵結構的縱橫向差異沉降，經(jīng)檢算，可以滿足橋梁、地鐵結構豎向協(xié)調(diào)變形的要求。

2.2 車站結構對橋梁墩臺水平(縱向、橫向)力的處理

上部橋墩產(chǎn)生的水平力會引起承臺轉動，造成地鐵結構頂板內(nèi)力超限。為控制水平力的不利影響，地鐵結構設計中，對6#～9#橋梁承臺進行了加固處理。通過延長承臺長度，把承臺與兩側地連墻固接，橋梁產(chǎn)生的水平力由地鐵結構及地連墻構成的整體基礎承擔。

2.3 地鐵車站防水處理

由于橋梁承臺與地鐵結構頂板及地連墻固接，樁基礎與結構底板固接，造成地鐵車站結構外包防水層無法閉合［4］。為確保地鐵結構防水效果，需對固接節(jié)點進行特殊防水處理:1)橋梁承臺納入地鐵結構外防水防護范圍，外防水層在橋墩地面處、承臺與地連墻固接節(jié)點處做收口處理;2)樁基礎與底板固接處按照樁頭防水處理。地鐵車站與還建橋梁承臺橫剖面關系如圖3所示。

圖3 地鐵車站與還建橋梁墩臺橫剖面關系圖(單位:m)Fig.3 Cross-sectional relationship among proposed bridge bearing platforms and Metro stations(m)

3 站－橋合建體系的整體受力分析

上部橋梁墩臺的集中力使地鐵車站結構沿縱向的受力復雜化，地鐵車站主體不再屬于規(guī)則的細長結構，單一的橫斷面受力計算分析已經(jīng)不能滿足結構內(nèi)力分析需求，因此，有必要對地鐵車站結構進行整體建模分析［5－6］。

為了整體受力分析的準確性，使用有限元數(shù)值模擬軟件midas/Gen對橋梁承臺、地鐵車站和橋梁樁基建立整體模型，使用荷載－結構法進行分析計算。

建模采用空間有限單元法，以車站縱向為X軸，車站橫向為Y軸，車站豎向為Z軸，各坐標軸方向滿足右手準則。橋梁承臺、車站結構等模擬為空間板墻及梁柱單元。各梁、柱、板的空間位置均為各處的幾何重心，由于梁、板的幾何重心并不在同一水平面內(nèi)，不共面的節(jié)點之間采用主從約束進行模擬，承臺用實體單元模擬，采用樁土彈簧模擬樁土的相互作用。整體有限元網(wǎng)格劃分如圖4所示。

計算時由橋梁專業(yè)提供上部橋梁結構橋墩的軸向壓力及彎矩，將這些荷載作用于有限元模型后進行整體計算，通過試算，對地鐵結構構件進行優(yōu)化處理。

圖4 站－橋合建有限元網(wǎng)格模型Fig.4 Finite element model of Metro stations integrated with bridge

換乘節(jié)點處側墻開洞大，且雙向受力，此處結構縱橫向剛度直接影響了車站的整體受力性能。為了增強結構的整體性，在換乘節(jié)點處采用4縱梁×4橫梁體系，縱橫梁相交處均設置直徑為1.1 m的框架圓柱，同時換乘節(jié)點處頂、中、底板均按照雙向主筋配筋。承受橋梁集中荷載的車站中立柱內(nèi)力較大(最大中立柱軸力達14 420 kN，在9#墩下)，受建筑功能限制截面不能增加(直徑1.1 m)，為控制立柱軸壓比，立柱采用C45混凝土，且內(nèi)插型鋼(4L200×24)、加強柱配筋(主筋采用24根直徑為28 mm的三級鋼筋，箍筋采用直徑為12 mm@100 mm的鋼筋)等措施進行加強，經(jīng)檢算軸壓比不大于0.8，滿足規(guī)范要求。

4 抗震性能研究

車站位于7度地震區(qū)，設計基本地震加速度值為0.15g，對結構抗震性能要求較一般7度地區(qū)更高。因換乘節(jié)點處結構不規(guī)則，因此，對換乘節(jié)點進行結構的動力特性性能研究十分必要，抗震分析采用時程分析法，計算時程步長取為0.02 s。為降低抗震的不利影響，1號線結構在跨越2號線的兩側各設置了一條結構變形縫，以變形縫為界建立抗震模型［7］，如圖5所示。

圖5 換乘節(jié)點抗震計算模型Fig.5 Seismic calculation model of the transfer node of the Metro stations

計算時使用的地震波為50年超越概率為10%的地震波時程曲線，如圖6所示。

圖6 時程分析曲線Fig.6 Curve of time history analysis

對于每一條地震波，進行3個方向的地震動計算，即X，Y，Z方向的水平地震分析。根據(jù)整體結構動力特性初步分析結果，由于上部橋梁墩臺集中作用影響，地鐵車站中立柱與底縱梁內(nèi)力較大。設計中換乘節(jié)點處，中立柱采用直徑為1.1 m、插四肢角鋼、箍筋加密的圓柱，底縱梁截面采用1 200 mm×1 800 mm，橫梁截面采用1 000 mm×1 200 mm，經(jīng)檢算，可滿足抗震要求。

5 結論與體會

1)本工程突破了橋站合建中建筑功能融合但結構受力需各自獨立的禁錮，車站與橋梁融為一體，避免了橋梁樁基礎穿越車站對車站建筑功能的影響，增強了車站的整體穩(wěn)定性，提升了結構的受力性能，對地鐵車站設計具有一定的借鑒意義。

2)上部橋梁的承臺通過與地鐵車站頂板及圍護結構固接，將荷載傳遞至車站下部樁基及兩側圍護結構，保證了荷載的傳力途徑及結構整體的受力安全。

3)換乘節(jié)點采用縱橫梁體系對結構進行加強，提升了開敞結構的抗震性能。

4)由于橋梁基礎與地鐵車站頂板固結，地鐵結構頂板防水不能實現(xiàn)全包，下階段需對結構防水，尤其是頂板防水做詳細研究。

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