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无柱拱顶大跨地铁车站结构优化设计分析唐晓天

发表时间：2021/4/12 来源：2020年《建筑模拟》第14期作者：唐晓天

[导读] 近几十年来，无柱拱顶结构在地铁车站的建设中得到广泛使用，其研究的方向也从结构使用功能向实施方案可行性妥协的产物演变为主动从改善车站建筑使用功能，因此对结构的加强构造措施提出更高的要求。本文依托成都地铁17号线某车站为设计案例，利用Midas GTS计算软件建立模型进行计算，对无柱标准段断面结构和无柱换乘节点段断面结构进行有地下水工况分析，探索无柱拱顶结构形式下结构布局及各构件的合理形式。

        中铁第六勘察设计院集团有限公司天津 300308
        摘要：近几十年来，无柱拱顶结构在地铁车站的建设中得到广泛使用，其研究的方向也从结构使用功能向实施方案可行性妥协的产物演变为主动从改善车站建筑使用功能，因此对结构的加强构造措施提出更高的要求。本文依托成都地铁17号线某车站为设计案例，利用Midas GTS计算软件建立模型进行计算，对无柱标准段断面结构和无柱换乘节点段断面结构进行有地下水工况分析，探索无柱拱顶结构形式下结构布局及各构件的合理形式。
        关键词：无柱拱顶；地铁车站；结构优化设计；

        1工程概况
        1.1 车站概况
        17号线某车站为地下二层14m岛式站台明挖车站，车站与远期32号线换乘，换乘形式为节点换乘。车站为14米岛式车站，采用双柱三跨（局部无柱和单柱双跨）地下两层（局部三层）现浇框架结构，本站车站有效站台中心里程为Y（Z）DK95+400.000，设计起点里程Y（Z）DK95+228.800，设计终点里程Y（Z）DK95+978.200。车站总长度749.4m。公共区采用无柱形式，标准段总宽24.3m，顶板覆土厚度约为3.0m，底板埋深23.50m。抗浮设防水位建议按埋深2.0m考虑，抗浮设防水位标高约为506.0m。
        1.2 土层概况
        场区地貌单元为岷江水系冲积平原Ⅲ级阶地，地势平坦，起伏小，地形地貌条件简单，地面高程为505.896～512.724m，相对高差5～7m，场地整体起伏较小。场地位于成都市成华区蜀龙路，属城市主次干道，道路交通繁忙。两侧多为荒地。
        根据场地勘查结果，土层可分为：杂填土、冲积黏土（可塑）、冲积黏土（硬塑）、冲积黏土夹卵石（硬塑）、全风化泥岩、强风化泥岩和中等风化泥岩，各土层的物理力学指标具体参数详见表1。
        表1 各土层的物理力学指标

工程主要材料：车站主体结构顶板、负一层侧墙砼：C35（P8）；车站主体结构负二层侧墙、底板砼：C35（P10）；车站中板：C35；钢筋：HRB400、HRB400E、HPB300。钢筋净保护层厚度：顶板、底板、侧墙、端墙、顶底板梁及边柱：迎土侧为45mm，背土侧为35mm；中板、中梁、中柱：30mm；
        2模型建立及荷载取值
        2.1 模型建立
        计算采用荷载—结构模型进行。
        （1）纵梁—立柱体系的地铁车站横断面符合平面应变原则，可以将横断面等效为宽度为单位长度的梁体系进行平面计算。根据有限元计算原理，将组成结构的各段梁柱分成梁单元，各单元之间以节点相连。单元长度取纵向1米计算；
        （2）对于车站底板弹簧刚度大小取所在土层垂直基床系数，侧墙弹簧刚度大小取所在土层水平基床系数；
        （3）梁柱材料比重取25KN/m3，结构侧压力按水土分算原则计算，水比重取10 KN/m3；
        （4）围护桩作为临时结构，在计算模型中不参与计算。
        （5）计算分施工阶段（施工结束水位未恢复）及正常使用阶段分别计算。
        （6）结构计算程序：Midas GTS结构分析软件，配筋软件采用“MorGain”结构计算软件。

        图1车站断面计算模型
        2.2 荷载计算及分析方法
        依据地勘资料并结合本地铁车站具体情况，荷载计算如下。
        结构自重按结构自身重量产生的竖向荷载计算。
        设备荷载按8kN/m2 计算。
        地层压力竖向压力按计算截面以上全部土柱重量考虑计算；水平压力按静止土压力计算。
        水压力及浮力按施工阶段和使用阶段可能发生的地下水位的最不利情况计算水压力和浮力的大小。
        地面超载按20kN/m2计算。
        人群荷载按4.0kN/m2计算。
        3. 结果分析
        3.1 无柱标准段断面结果分析
        结构顶板覆土按3.15～6.0m，为两层单跨框架结构，顶板、负一层侧墙混凝土为C35、P8，底板、负二层侧墙混凝土为C35、P10，中板C35。构件厚度分别为：顶板拱顶1.0m，顶板拱腰1.4m，中板0.8m，底板1.8m。回填土按夯实粘土考虑，计算时取侧压力系数0.4，地下水位取地面以下2.0m。图2为无柱标准段断面有水工况下承载能力极限状态弯矩图由图可知，其最大负弯矩出现在两个侧墙底部和底板支座处，其值为-7696.36kN.m；最大正弯矩出现在底板中部上侧，其值为7584.8kN.m。拱顶受弯承载力较小，拱顶中部内侧受弯，其最大值为1869.0kN.m；拱顶两侧外侧受弯，其最大值为-3056.2kN.m。中板受弯矩也相对较小，中板中部弯矩最大值768.9kN.m；中板两侧弯矩稍大，中板两侧弯矩最大值-1737.1kN.m；两侧侧墙顶底部为外侧受弯，上小下大，上部弯矩最大值-3056.2kN.m，下部弯矩最大值-7696.36kN.m；两侧侧墙中部为内侧受弯，其最大值为2903.4kN.m。其它部位的弯矩都相对较小，相对较安全，故不详细讨论。

        图2 无柱标准段断面有水工况下承载能力极限状态弯矩图
        经计算，在有水工况最不利荷载作用下，无柱标准段断面各个构件跨中和支座出的弯矩为该构件中承受弯矩的峰值，故表2列出了各个构件中主要部位的弯矩。由表2可知，其弯矩最大值出现在底板支座处，其值为7696kN.m，根据软件计算得配筋为13407mm2，最终确定其裂缝宽度为0.20mm，满足正常使用要求。在正常使用阶段，底板跨中弯矩也较大，且裂缝宽度达到0.29mm，裂缝宽度相对较大，应重点关注。在侧墙支座位置其弯矩值也达到了7696kN.m，为防止产生较大裂缝，其配筋为21142mm2，裂缝宽度为0.19mm，满足正常使用要求。其它部位弯矩、配筋和裂缝都满足正常使用条件。
        表2 无柱标准段断面内力和配筋计算表

        3.2 无柱换乘节点段断面结果分析
        结构顶板覆土按3.15～6.0m，为两层框架结构，顶板、负一层侧墙混凝土为C35、P8，底板、负二层侧墙混凝土为C35、P10，中板C35。构件厚度分别为：无柱段顶板拱顶1.0m，顶板拱腰1.4m，水平拉板0.5m，中板0.8m，底板1.8m。外挂段顶板1.0m，中板0.8m，底板1.2m，底板中部设置2排抗拔桩。回填土按夯实粘土考虑，计算时取侧压力系数0.4，地下水位取地面以下2.0m。图3为无柱换乘节点段断面有水工况下承载能力极限状态弯矩图。由图可知，其最大负弯矩出现在两个侧墙底部和底板支座处，其值为-5199.21kN.m；最大正弯矩出现在底板中部上侧，其值为5854.73kN.m。拱顶受弯承载力较小，拱顶中部内侧受弯，其最大值为591.6kN.m；拱顶两侧外侧受弯，其最大值为-1144.4kN.m。中板受弯矩也相对较小，中板中部弯矩最大值945.4kN.m；中板两侧弯矩稍大，左侧弯矩最大值-1996.7kN.m，右侧弯矩最大值-1160.9kN.m；左边侧墙顶底部及中板支座处均为外侧受弯，上小下大，上部弯矩最大值-1144.4kN.m，中板支座处最大值-2499.5kN.m，下部弯矩最大值-5006.5kN.m。其它部位的弯矩都相对较小，相对较安全，故不详细讨论。

        图3无柱换乘节点段断面有水工况下承载能力极限状态弯矩图
        经计算，在有水工况最不利荷载作用下，无柱标准段断面各个构件跨中和支座处的弯矩为该构件中承受弯矩的峰值，故表3列出了各个构件中主要部位的弯矩。由表3可知，其弯矩最大值出现在底板跨中，其值为5854kN.m，根据软件计算得配筋为9966mm2，最终确定其裂缝宽度为0.17mm，满足正常使用要求。在正常使用阶段，侧墙跨中弯矩为负值，其值也相对较小，但产生的裂缝宽度较大，其最大值达到0.28mm，应重点关注。其它部位弯矩、配筋和裂缝都满足正常使用条件。

        表3 无柱标准段断面内力和配筋计算表

        4.结束语
        本文依托成都地铁17号线某车站为设计案例，利用Midas GTS计算软件建立模型进行计算，对无柱标准段断面结构和无柱换乘节点段断面结构进行有地下水工况分析得出如下结论：在拱腰设置水平拉板和底板中部设置抗拔桩的前提下，无柱换乘节点段断面有水工况下顶板、中板、底板及侧墙相同部位弯矩值均较无柱标准段断面小，说明拱腰设置水平拉板和底板中部设置抗拔桩对改善结构受力效果显著。
        参考文献
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        [3]杨成蛟，王晶，张喜桥.11m宽岛式站台明挖无柱拱形地铁车站的设计[J].城市轨道交通研究，2019，22（06）：56-60.