西安火車站東配樓地鐵上蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭 東

(中國建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710018)

1 工程概況

西安火車站東配樓是西安站改擴(kuò)建工程中的一座新建建筑,位于西安火車站北側(cè)偏東,西側(cè)毗鄰新建西安北站房,南側(cè)為擴(kuò)建車站站臺(tái)區(qū),北側(cè)為車站北廣場區(qū)。擴(kuò)建后東配樓、北站房與大明宮丹鳳門整體呈品字形關(guān)系,通過北廣場連接,形成新西安站整體融合效果,建筑效果見圖1。

圖1 建筑效果圖

東配樓東西長約216m,南北寬約48m,縱向主要柱距為9.0、10.8m,橫向主要柱距為9.0、12.0m。建筑為地下3層(東側(cè)地鐵4號(hào)線通過上方為局部地下2層),地上7層(局部5層)。地上1～3層主要功能為商業(yè)及展廳,同時(shí)兼顧車站疏散的作用,地上4層及以上為公寓,中間屋面為鋼結(jié)構(gòu)屋蓋;地下3層為地鐵4號(hào)線換乘大廳,其他地下部分為車庫及車站輔助用房。

已開通地鐵4號(hào)線隧道從東配樓東側(cè)地下斜向穿過。地鐵范圍內(nèi)一部分區(qū)域?yàn)轭A(yù)留4號(hào)線車站站廳及輔助用房,另外一部分為連接規(guī)劃地鐵7號(hào)線的換乘通道,車站在換乘通道下方。東配樓東側(cè)地下室約一半空間在地鐵隧道、換乘通道及車站上方建設(shè)。本項(xiàng)目與地鐵平面關(guān)系見圖2。地裂縫f3沿東配樓北側(cè)縱向分布,基礎(chǔ)要避讓地裂縫。

圖2 項(xiàng)目與地鐵平面關(guān)系

本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年,建筑安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防烈度為8度,抗震設(shè)防類別為乙類[1],建筑場地類別為Ⅱ類,設(shè)計(jì)地震分組為第二組,特征周期為0.40s,基本地震加速度值為0.20g。項(xiàng)目建設(shè)場地抗浮設(shè)防水位高程為400.0m,約為建筑地坪以下4.0m。

2 地鐵上蓋結(jié)構(gòu)體系

本工程地上整體呈矩形,由防震縫分為三個(gè)結(jié)構(gòu)單元,分別為中間部分、西側(cè)部分和東側(cè)部分,每個(gè)結(jié)構(gòu)單元均選取地下室頂板作為嵌固端,且地下室結(jié)構(gòu)不設(shè)縫。受地鐵影響的部分主要為東側(cè)部分及對(duì)應(yīng)地下室相關(guān)范圍。

為保證已運(yùn)營下穿地鐵4號(hào)線線路安全,同時(shí)滿足主體結(jié)構(gòu)傳力明確、可靠,上部結(jié)構(gòu)通過設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件使隧道主體和上部結(jié)構(gòu)在受力體系上分開[2]。地鐵4號(hào)線隧道左側(cè)框架柱落于樁筏基礎(chǔ)上,右側(cè)框架柱伸至地鐵車站和連接7號(hào)線通道主體,基礎(chǔ)為樁筏基礎(chǔ)。地鐵上蓋結(jié)構(gòu)剖面示意見圖3。

圖3 地鐵上蓋剖面示意圖

2.1 地上主體結(jié)構(gòu)

東側(cè)部分為地上5層,屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高為22.410m,采用多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),正交軸網(wǎng)柱距為9.0m和12m,典型結(jié)構(gòu)平面見圖4。其中,為了避讓地裂縫,北側(cè)?軸有4個(gè)框架柱不能直接落地,～軸共有8個(gè)框架柱在地鐵4號(hào)線隧道正上方。

圖4 地上東側(cè)部分典型結(jié)構(gòu)平面圖

2.2 地下室轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

東側(cè)部分地上建筑功能為商業(yè)及公寓,且布置有較多的出入口,地上設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件會(huì)對(duì)建筑使用功能及空間流線造成較大的影響,而地下室部分為兩層,主要功能為停車庫,布置轉(zhuǎn)換構(gòu)件對(duì)建筑功能影響較小,所以結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換構(gòu)件主要在地下室范圍布置。轉(zhuǎn)換構(gòu)件布置平面見圖5。

圖5 地下轉(zhuǎn)換構(gòu)件布置平面圖

圖6 軸線轉(zhuǎn)換梁

圖7 軸桁架

圖8 、軸轉(zhuǎn)換桁架

2.2.4 避讓地裂縫斜柱轉(zhuǎn)換

f3地裂縫斜向穿過東配樓西北角后又沿建筑縱向內(nèi)凹分布,本工程基礎(chǔ)均位于地裂縫上盤區(qū)。按《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計(jì)規(guī)程》(DBJ 61-6-2006)[4]及本工程避讓地裂縫專家評(píng)審意見,基礎(chǔ)按三類建筑避讓地裂縫。東側(cè)部分受地裂縫影響的4個(gè)框架柱及地下室外墻基礎(chǔ)避讓地裂縫距離不小于8.0m,所以樁筏基礎(chǔ)內(nèi)收布置,框架柱在地下室采用斜柱轉(zhuǎn)換,結(jié)構(gòu)布置見圖9。

圖9 結(jié)構(gòu)避讓地裂縫斜柱

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 主體結(jié)構(gòu)計(jì)算

主體結(jié)構(gòu)采用YJK軟件進(jìn)行整體建模計(jì)算,并采用有限元軟件MIDAS Building對(duì)轉(zhuǎn)換桁架進(jìn)行復(fù)核。桁架及整體計(jì)算模型如圖10所示。整體計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 整體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

圖10 桁架及整體計(jì)算模型

3.2 轉(zhuǎn)換構(gòu)件計(jì)算

轉(zhuǎn)換構(gòu)件主要尺寸及如表2所示。轉(zhuǎn)換桁架跨度大,荷載組合主要由恒載控制,構(gòu)件變形過大或喪失承載力后對(duì)下部地鐵隧道影響很大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮豎向地震作用影響。轉(zhuǎn)換桁架兩端轉(zhuǎn)換柱豎向及水平剪力較大,同時(shí)引起與轉(zhuǎn)換柱連接的框架梁梁端彎矩突變,為了分散傳至基礎(chǔ)的豎向力及減小與轉(zhuǎn)換柱連接的框架梁梁端彎矩,轉(zhuǎn)換柱兩側(cè)盡量布置鋼筋混凝土墻體,按照組合截面進(jìn)行整體抗彎設(shè)計(jì)。東側(cè)部分地下室樓板和頂板與轉(zhuǎn)換梁協(xié)同工作,靠近轉(zhuǎn)換桁架處的樓板承受較大的水平力,設(shè)計(jì)時(shí)地下室樓板適加厚,取值為150mm,配筋率不小于0.25%。

表2 轉(zhuǎn)換桁架截面

圖11 軸轉(zhuǎn)換梁計(jì)算模型及配筋截面

受剪截面條件滿足:

正截面抗彎承載力滿足:

M≤fyAs(0.80+0.04l0/h)(h0-0.5x)

斜截面抗剪承載力滿足:

式中:V為梁斜截面上的最大剪力設(shè)計(jì)值;M為正截面彎矩設(shè)計(jì)值;l0為計(jì)算跨度;b為梁寬度;h、h0分別為梁截面高度、梁截面有效高度;βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù);fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;As為受拉區(qū)普通鋼筋截面面積;x為截面受壓區(qū)高度;λ為計(jì)算剪跨比;fyv、fyh分別為水平、豎向鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;Asv、Ash分別為配置在同一水平、豎向截面內(nèi)的分布鋼筋的全部截面面積;sh、sv分別為水平、豎向分布鋼筋的間距。

同時(shí)轉(zhuǎn)換梁腹板兼做地下室外墻,按照兩端簡支板驗(yàn)算腹板配筋,并符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[5]深受彎構(gòu)件水平分布筋及豎向分布筋的配筋率。

3.2.2 轉(zhuǎn)換桁架承載力計(jì)算

一般樓板參與整體計(jì)算有四種類型:剛性板、彈性板6、彈性膜、不考慮樓板[6]。指定剛性板時(shí),不能得出與樓板連接的弦桿軸力;樓板為彈性膜和彈性板6,可以真實(shí)反映樓板的平面內(nèi)剛度,與不考慮樓板作用相比,樓板可以分擔(dān)部分弦桿的軸力。

表3 軸桁架斜桿內(nèi)力及撓度計(jì)算

表3 軸桁架斜桿內(nèi)力及撓度計(jì)算

構(gòu)件編號(hào)彈性膜不考慮樓板Nmax/kNNmin/kNNmax/kNNmin/kN17 7814 6097 8324 5812-5 664-9 458-5 649-9 5253-4 589-8 005-4 446-7 93845 1403 1325 1993 15052 5061 2652 4001 1436-1 352-2 410-1 468-2 618

圖12 桁架弦桿內(nèi)力示意圖

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),樓板為彈性板或彈性膜計(jì)算出的斜桿軸力包絡(luò)值近似相同;表3中,樓板按彈性板模擬時(shí),弦桿彎矩包絡(luò)值較小,與按彈性膜模擬結(jié)果最大相差約25%(局部桿件軸力在桿間變號(hào));樓板按彈性膜計(jì)算時(shí),同一弦桿軸力包絡(luò)值變化較大,計(jì)算不能真實(shí)反映樓板對(duì)弦桿軸力的貢獻(xiàn)程度。

本工程主要轉(zhuǎn)換桁架位于地下室范圍,上弦桿受壓作用明顯,下弦桿與基礎(chǔ)防水板連接,同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)連接簡單、施工的便利性,弦桿均為型鋼混凝土構(gòu)件,受力的變化對(duì)弦桿截面及配筋設(shè)計(jì)不明顯,在進(jìn)行轉(zhuǎn)換桁架設(shè)計(jì)時(shí),按考慮樓板與不考慮樓板作用進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。此外,受地鐵施工次序影響,桁架上部主體結(jié)構(gòu)有可能無法同時(shí)施工,所以不考慮上部主體結(jié)構(gòu)豎向剛度對(duì)桁架進(jìn)行復(fù)核:轉(zhuǎn)換桁架上部框架梁全部按鉸接考慮,樓板按照彈性板6考慮,不考慮豎向地震作用,結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

4 基礎(chǔ)部分設(shè)計(jì)

東側(cè)部分基底標(biāo)高為-8.80m,基底持力層為軟弱黃土,其承載力低、壓縮性大,物理力學(xué)指標(biāo)見表4。

表4 土層物理力學(xué)指標(biāo)

此部分基礎(chǔ)近鄰地鐵隧道,而且一部分主體落于地鐵通道及車站上方,基礎(chǔ)交接面多,標(biāo)高關(guān)系復(fù)雜。另外,受地鐵隧道和地裂縫的雙重影響,上部主體結(jié)構(gòu)存在較多轉(zhuǎn)換柱或斜撐,對(duì)應(yīng)柱底或斜撐底部內(nèi)力較大,柱間荷載分布不均勻,而且東側(cè)兩跨框架柱落在地鐵通道及車站結(jié)構(gòu)上部,為了滿足承載力設(shè)計(jì)要求及減小基礎(chǔ)不均勻沉降,實(shí)現(xiàn)與地鐵隧道“脫開”的傳力體系,基礎(chǔ)采用“樁+筏板”及“樁+承臺(tái)+防水板”的復(fù)合形式,基礎(chǔ)平面及剖面分別如圖13、14所示。

圖13 基礎(chǔ)平面圖

圖14 基礎(chǔ)剖面示意圖

樁采取摩擦型灌注樁,樁徑800mm,樁長36m,樁端持力層在粉質(zhì)黏土層,按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[7]估算單樁承載力特征值為3 850kN。為了減小灌注樁施工對(duì)地鐵隧道的影響,灌注樁在地鐵隧道3.0m外區(qū)域布置。

地鐵隧道西側(cè)施工場地狹小,且存在地鐵穿插施工,同時(shí)為減小樁基施工時(shí)對(duì)地鐵隧道的影響,工程樁試樁及樁基檢測采用基樁自平衡靜載試驗(yàn)[8]方法。東側(cè)部分樁基三組試樁的平均承載力標(biāo)準(zhǔn)值為4 384kN,大于估算值。由于地鐵基坑比東側(cè)部分基坑深,地鐵基坑繼續(xù)開挖對(duì)東側(cè)部分基樁承載力有一定影響,且為了保證樁端和中間部分的樁端在同一標(biāo)高,所以東側(cè)部分基礎(chǔ)仍按估算值布樁。

5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖15 桁架平面外連接

(2)地鐵4號(hào)線隧道上方為防水板,轉(zhuǎn)換桁架下弦作為防水板的支座條件。為了使桁架在施工期間豎向變形不通過防水板傳遞至地鐵隧道上方的土體,但又能夠滿足正常使用時(shí)抗浮要求,防水板與桁架下弦預(yù)留變形空間,主體結(jié)構(gòu)完成后采用素混凝土填充,做法如圖16所示。

圖16 桁架底部與防水板連接

6 對(duì)地鐵隧道的保護(hù)措施

東配樓下穿地鐵4號(hào)線為已運(yùn)行線路,東配樓和下方連接7號(hào)線的地鐵通道施工時(shí)基坑坑底標(biāo)高分別為-9.0m和-12.70m,距離地鐵隧道頂部分別約為4.6m和0.9m,如圖17所示?？拥淄翆訛檐淈S土,基坑開挖及降水會(huì)引起土層變形,對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生不利影響。所以,在本工程的設(shè)計(jì)施工過程中,采用相應(yīng)的措施來確保地鐵的安全和正常運(yùn)營[10]。具體包括:基坑分區(qū)開挖卸載和坑內(nèi)加固。

圖17 基坑與地鐵隧道剖面關(guān)系

6.1 基坑分區(qū)開挖卸載

針對(duì)地鐵4號(hào)線隧道走向,結(jié)合東側(cè)部分結(jié)構(gòu)及地鐵車站結(jié)構(gòu)布置,將基坑開挖分兩步進(jìn)行。首先,開挖地鐵通道以外基坑并進(jìn)行坑內(nèi)加固,施工至地下室頂板,然后,開挖地鐵通道基坑并施工上部結(jié)構(gòu),減小一次性大體量卸載對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生不利影響。

6.2 坑內(nèi)加固

東側(cè)部分基坑坑底及地鐵4號(hào)線隧道周圍分布的主要土層為軟黃土層,厚度約10m,其承載力低、壓縮性大、含水率高,易受擾動(dòng)。為控制基坑變形、保護(hù)地鐵隧道,對(duì)地鐵隧道進(jìn)行坑內(nèi)加固,具體措施如下。

(1)地鐵通道區(qū)域:該區(qū)域基坑距離地鐵隧道最近,且隧道為盾構(gòu)法施工,為坑內(nèi)土體卸載的最不利處。此區(qū)域在隧道兩側(cè)采用4.0m寬的攪拌樁加固土體,并在隧道區(qū)間變形縫頂部設(shè)置抗隆起拉梁,如圖18所示。

圖18 地鐵通道區(qū)域坑內(nèi)加固示意圖

(2)地鐵通道以外區(qū)域:此區(qū)域基坑先開挖,基坑開挖后地鐵隧道頂仍保留約4.6m厚的覆土,且隧道為明挖整澆法施工,還存在一處施工豎井,相對(duì)地鐵通道區(qū)域,此部分基坑開挖對(duì)地鐵周邊土體擾動(dòng)較小,且豎井周圍密布支護(hù)樁及止水帷幕,對(duì)隧道兩側(cè)土體具有約束作用。所以,此區(qū)域僅在隧道頂部設(shè)抗隆起拉梁,拉梁與防水板形成滿堂加固措施,隧道頂部的土體為約束土體,能夠保證施工期間地鐵隧道的穩(wěn)定,如圖19所示。

圖19 地鐵通道以外區(qū)域坑內(nèi)加固示意圖

圖20為本工程施工過程圖。對(duì)基坑及地鐵進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,各項(xiàng)制表正常,地鐵運(yùn)行安全、平穩(wěn)。

圖20 施工過程圖

7 結(jié)語

(1)地鐵4號(hào)線上蓋西安站東配樓,為保證地鐵運(yùn)營安全,同時(shí)使主體結(jié)構(gòu)傳力明確、可靠,提出了結(jié)構(gòu)技術(shù)解決方案:上部結(jié)構(gòu)采用轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)形式,使地鐵隧道上方框架柱與地鐵隧道在受力體系上脫開,轉(zhuǎn)換柱下樁基礎(chǔ)在地鐵隧道兩側(cè)3.0m外布置。同時(shí)受地裂縫的影響,基礎(chǔ)內(nèi)收避讓地裂縫,受影響的地上框架柱采用斜柱轉(zhuǎn)換。

(2)轉(zhuǎn)換桁架斜桿采用十字交叉布置,對(duì)控制變形最有利,結(jié)構(gòu)效率最高。

(3)計(jì)算分析表明,不考慮樓板作用時(shí)轉(zhuǎn)換桁架型鋼斜腹桿受力最不利,是否考慮樓板作用對(duì)型鋼混凝土弦桿受力不明顯。

(4)基坑開挖及降水會(huì)對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生不利影響。提出保護(hù)措施:基坑分區(qū)開挖卸載和坑內(nèi)加固。

(5)施工期間,地鐵運(yùn)營安全、平穩(wěn),表明本工程相關(guān)措施切實(shí)可行。