成都某大跨無柱地鐵車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計思考

摘要：調(diào)研了現(xiàn)階段國內(nèi)大跨無柱車站的應(yīng)用案例，分析常見的大跨無柱車站結(jié)構(gòu)形式及各自的特點，并結(jié)合成都某無柱車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，對比了無柱車站與有柱車站的結(jié)構(gòu)差異以及無柱車站特殊位置的加強措施。為無柱車站的設(shè)計和研究提供了一定的參考經(jīng)驗及借鑒意義。

關(guān)鍵詞：軌道交通; 地鐵; 無柱車站; 結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U231.4文獻標(biāo)志碼：A

0引言

隨著我國城市化的進程不斷加快，大型城市的人口數(shù)量不斷增多，地鐵在城市交通系統(tǒng)中的作用不斷增加，由于受當(dāng)時的國情和建設(shè)水平的影響，我國早期地鐵進行設(shè)計時，地鐵人流量預(yù)估不充分，造成現(xiàn)階段我國大型城市早期地鐵車站人流量大，人流疏散較慢、站內(nèi)擁擠、空間不足的現(xiàn)象［1］。因此，我國近幾年進行地鐵設(shè)計時，除了考慮增加車站斷面尺寸以增加車站人流量之外，還從設(shè)計上取消公共區(qū)的結(jié)構(gòu)柱，不僅增加了站內(nèi)有效疏散面積，還提升了車站的藝術(shù)性和乘車體驗。本文結(jié)合成都某大跨無柱車站設(shè)計，結(jié)合作者多年的工作經(jīng)驗，分析了常見的無柱車站的設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)特點，為無柱車站的設(shè)計和應(yīng)用提供一定的參考經(jīng)驗［2］。

1無柱車站結(jié)構(gòu)選型

經(jīng)調(diào)研，影響大跨無柱車站結(jié)構(gòu)形式的因素主要有周邊地質(zhì)情況、車站抗浮設(shè)計、頂?shù)装宓慕Y(jié)構(gòu)形式、站廳站臺的建筑設(shè)計要求、造價等因素等。目前常見的幾種結(jié)構(gòu)形式如表1所示［3］。

成都軌道交通某大跨無柱車站，車站埋深范圍內(nèi)地質(zhì)情況較簡單，從上至下為黏土、碎石土、粉質(zhì)黏土，適宜采用大跨無柱的車站形式。車站站位靠路邊單側(cè)，要求為市政管線預(yù)留不小于2.5 m的埋深空間，地下水位位于地表以下0.5 m。綜合上述條件考慮，車站采用傳統(tǒng)的厚板加腋的結(jié)構(gòu)形式。

2無柱車站截面尺寸確定

車站無柱段為長條形箱型截面，按照平面應(yīng)變進行設(shè)計，取每延米板墻單元為研究對象，板墻采用梁單元模擬，側(cè)墻及底板土反力采用地基彈簧模擬。車站頂板土壓力按照全土柱考慮，覆土厚度為3 m。其余荷載按行業(yè)規(guī)范執(zhí)行。結(jié)構(gòu)計算采用SAP84結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。最不利工況下車站內(nèi)力如圖1所示。

從圖1中可以看出，無柱段車站結(jié)構(gòu)的控制斷面主要為板墻連接位置和跨中位置，同時由于缺少柱子的減跨作用，跨中彎矩明顯增大。中板軸力表現(xiàn)為受拉，頂板、底板、側(cè)墻彎矩最大值均在3 800～4 600 kN·m，需增大截面尺寸，提高配筋率，滿足結(jié)構(gòu)的性能要求。配筋方案見表2。

從上述結(jié)構(gòu)尺寸及配筋方案中可以看出，厚板加腋的結(jié)構(gòu)尺寸均較大，除中板外，其余結(jié)構(gòu)均屬于大體積混凝土范疇，施工期間應(yīng)采取抑制構(gòu)件水化熱的措施。側(cè)墻頂板、底板位置處配筋率較大，而跨中位置配筋率偏小，斷面尺寸與配筋方案協(xié)調(diào)性不高。另一方面，結(jié)構(gòu)尺寸較大，對于無柱段的抗浮較有利，可以減少抗拔樁等抗浮措施的工程量，因此，厚板加腋結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟性應(yīng)綜合考慮。

3無柱段與有柱段過渡設(shè)計

盡管無柱車站存在有效面積大、空間效果好、造型新穎等諸多優(yōu)點，但其在結(jié)構(gòu)特點上，仍然存在結(jié)構(gòu)尺寸偏大、配筋率過大或過小、造價相對有柱車站大、抗震性能相對較差的缺點。因此，為兼顧車站功能效果和結(jié)構(gòu)安全，無柱車站設(shè)計時，常把公共區(qū)劃分為無柱段，而設(shè)備用房和車站自身的功能區(qū)仍然按照有柱結(jié)構(gòu)設(shè)計。

因此，對于無柱段與有柱段的過渡區(qū)域，常存在兩種不同的設(shè)計理念。

（1）按照結(jié)構(gòu)的受力特點，將無柱段與有柱段通過結(jié)構(gòu)的變形縫分開，各自的結(jié)構(gòu)體系獨立設(shè)計。這種設(shè)計方法結(jié)構(gòu)上簡單易行，各區(qū)域獨立性好，結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力較小，但對建筑功能區(qū)域劃分和設(shè)備管線的鋪設(shè)有影響，且不適用于地下水豐富的地區(qū)。

（2）過渡段采用剛性連接，將有柱段與無柱段作為整體進行考慮。這種方法建筑功能劃分更加自由，設(shè)備管線鋪設(shè)更加方便，防水性好。但是結(jié)構(gòu)狹長，溫度應(yīng)力較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需單獨考慮。本文中車站采用無柱段與有柱段結(jié)合的方案，過渡段采用剛接。采用MIDAS GEN 數(shù)值模擬軟件進行過渡區(qū)域的結(jié)構(gòu)受力模擬，過渡段采用梁柱框架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換受力，如圖2所示。

考慮荷載對過渡段框架結(jié)構(gòu)的影響，模型范圍各取一定長度范圍。過渡段內(nèi)力計算結(jié)果見圖3。

計算結(jié)果顯示，過段頂梁最大彎矩1 660 kN·m，底梁最大彎矩2 773 kN·m，中梁最大彎矩225 kN·m，分別采用暗梁即可滿足設(shè)計要求。

4無柱車站與有柱車站的對比

本文仍在相同埋深、水位和車站凈寬條件下從結(jié)構(gòu)尺寸、基坑深度等方面比較了有柱（單柱）和無柱的結(jié)構(gòu)形式特點，如表3所示。

鐵路與公路劉奇峰： 成都某大跨無柱地鐵車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計思考

上述結(jié)果表明：

（1）相同條件下，無柱車站截面尺寸比有柱車站增約50%～75%。

（2）無柱車站比有柱車站結(jié)構(gòu)寬度增加0.8 m，基坑深度增加2.1 m。

（3）由于無柱和大跨引起的內(nèi)力重分配，使得無柱車站中板軸力為拉力，而普通有柱車站中板軸力為壓力［4-5］。

總之，盡管無柱車站是當(dāng)今地下車站的創(chuàng)新趨勢，但其在結(jié)構(gòu)特點上，仍然是弊大于利。由于車站周邊環(huán)境的復(fù)雜

性和結(jié)構(gòu)本身的隱蔽性，使得傳統(tǒng)意義上的大跨結(jié)構(gòu)在地鐵設(shè)計中無法有效發(fā)揮作用。因此，設(shè)計無柱車站時應(yīng)當(dāng)謹慎，尤其是無柱段的開孔和抗震問題，應(yīng)確保結(jié)構(gòu)安全可靠。

參考文獻

［1］周曉軍. 成都地鐵地下無柱車站結(jié)構(gòu)形式設(shè)計及工程應(yīng)用［C］//.智慧城市與軌道交通2022：85-91.

［2］吳斌. 地鐵車站無柱結(jié)構(gòu)設(shè)計探索與實踐［J］.福建建筑， 2022，9（291）：44-48.

［3］朱坤朋. 無柱大跨拱形地鐵車站結(jié)構(gòu)研究分析［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2021（6）：40-45.

［4］劉欣. 淺談單柱與無柱地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計比較［J］.甘肅科技，2010，9（26）：106-108.

［5］劉常浩，丁文其，鞏一凡. 無柱大跨地鐵車站受拉中板多工況受力變形數(shù)值分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2021，S2（51）：415-419.

［作者簡介］劉奇峰（1991—），男，碩士，工程師，研究方向為地下軌道交通、結(jié)構(gòu)設(shè)計。