趙 月

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 210017)

0 引言

伴隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)，城市軌道交通已成為解決交通擁堵的最有效途徑，地鐵車(chē)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(huì)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(jià)，多行業(yè)建筑與地鐵融合建設(shè)的案例逐漸增多，如樓房與地鐵車(chē)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(jié)構(gòu)上往往各自獨(dú)立，因此，結(jié)構(gòu)受力分析模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單。本工程采用了上部橋梁基礎(chǔ)與地下車(chē)站結(jié)構(gòu)頂板整體澆筑的結(jié)構(gòu)形式，地下車(chē)站作為上部橋梁箱型基礎(chǔ)整體受力的設(shè)計(jì)思路，突破了建筑功能融合但結(jié)構(gòu)受力需各自獨(dú)立的禁錮。本文以廈門(mén)市地鐵1號(hào)線(xiàn)與2號(hào)線(xiàn)換乘車(chē)站(呂厝站)與地面橋梁合建工程為基礎(chǔ)，總結(jié)該地鐵車(chē)站在對(duì)上部橋梁集中力處理、地基不均勻沉降、結(jié)構(gòu)抗震等方面的設(shè)計(jì)思路及經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

廈門(mén)市地鐵1號(hào)線(xiàn)與2號(hào)線(xiàn)換乘車(chē)站(呂厝站)受線(xiàn)路條件限制，設(shè)置于一座市政橋梁的下方，該站采用十字換乘。其中，1號(hào)線(xiàn)車(chē)站為地下2層，采用明挖法施工;2號(hào)線(xiàn)為地下3層，采用半蓋挖法施工。市政橋梁雙向4車(chē)道，橋面寬15 m×2，主橋采用3聯(lián)3跨連續(xù)曲線(xiàn)鋼箱梁，30 m×3+(30+40+30)m+30 m×3=280 m，曲線(xiàn)半徑150 m。考慮工程安全，經(jīng)過(guò)綜合比選及專(zhuān)家論證，對(duì)該市政橋梁采取拆除還建措施。該地鐵車(chē)站主體工程于2014年全面開(kāi)工，目前該車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)施作完成，正在進(jìn)行基坑開(kāi)挖。地鐵車(chē)站與既有橋的平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 車(chē)站與既有橋平面關(guān)系圖Fig.1 Plan relationship between Metro station and existing bridge

2 設(shè)計(jì)理念

結(jié)合地下車(chē)站和橋梁的相互關(guān)系及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合比選，推薦采用地鐵車(chē)站與橋梁合建的結(jié)構(gòu)體系。設(shè)計(jì)采用了地鐵結(jié)構(gòu)作為上部橋梁箱型基礎(chǔ)，橋梁承臺(tái)作為地鐵結(jié)構(gòu)抗浮措施的設(shè)計(jì)理念。橋梁主跨4#～9#承臺(tái)直接落于車(chē)站結(jié)構(gòu)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(tái)與車(chē)站的平面關(guān)系如圖2所示。

圖2 還建橋承臺(tái)與車(chē)站結(jié)構(gòu)平面關(guān)系圖Fig.2 Plan relationship among proposed bridge bearing platforms and Metro stations

為保證合建結(jié)構(gòu)體系在強(qiáng)度、變形、抗震、防水等方面均能滿(mǎn)足使用要求，確保結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，受力合理，設(shè)計(jì)中重點(diǎn)采取了以下措施。

2.1 車(chē)站結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁墩臺(tái)豎向集中荷載的處理

上部橋墩豎向集中力達(dá)9 000多kN，如果將該集中荷載直接作用于地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)頂板上，地鐵結(jié)構(gòu)厚度需要過(guò)度加大，既不合理也不經(jīng)濟(jì)。為控制上部橋梁局部集中力對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的不利影響，地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取如下針對(duì)措施:1)地鐵車(chē)站橫向采用雙柱設(shè)計(jì)，中立柱縱向柱跨與上部橋梁跨度相匹配;2)橋梁的承臺(tái)橫向加長(zhǎng)、斷面加大，并與地鐵結(jié)構(gòu)頂板固接，橋梁墩臺(tái)集中力直接傳至地鐵結(jié)構(gòu)中立柱，避免地鐵結(jié)構(gòu)頂板承受橋梁荷載;3)在地鐵結(jié)構(gòu)中立柱下設(shè)置樁基礎(chǔ)，承受上部橋梁荷載，為控制結(jié)構(gòu)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(zhǎng)35 m，設(shè)計(jì)承載力大于9 000 kN)。通過(guò)采取以上措施控制地鐵結(jié)構(gòu)的縱橫向差異沉降，經(jīng)檢算，可以滿(mǎn)足橋梁、地鐵結(jié)構(gòu)豎向協(xié)調(diào)變形的要求。

2.2 車(chē)站結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁墩臺(tái)水平(縱向、橫向)力的處理

上部橋墩產(chǎn)生的水平力會(huì)引起承臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成地鐵結(jié)構(gòu)頂板內(nèi)力超限。為控制水平力的不利影響，地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)6#～9#橋梁承臺(tái)進(jìn)行了加固處理。通過(guò)延長(zhǎng)承臺(tái)長(zhǎng)度，把承臺(tái)與兩側(cè)地連墻固接，橋梁產(chǎn)生的水平力由地鐵結(jié)構(gòu)及地連墻構(gòu)成的整體基礎(chǔ)承擔(dān)。

2.3 地鐵車(chē)站防水處理

由于橋梁承臺(tái)與地鐵結(jié)構(gòu)頂板及地連墻固接，樁基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)底板固接，造成地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)外包防水層無(wú)法閉合［4］。為確保地鐵結(jié)構(gòu)防水效果，需對(duì)固接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特殊防水處理:1)橋梁承臺(tái)納入地鐵結(jié)構(gòu)外防水防護(hù)范圍，外防水層在橋墩地面處、承臺(tái)與地連墻固接節(jié)點(diǎn)處做收口處理;2)樁基礎(chǔ)與底板固接處按照樁頭防水處理。地鐵車(chē)站與還建橋梁承臺(tái)橫剖面關(guān)系如圖3所示。

圖3 地鐵車(chē)站與還建橋梁墩臺(tái)橫剖面關(guān)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(tái)的集中力使地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)沿縱向的受力復(fù)雜化，地鐵車(chē)站主體不再屬于規(guī)則的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，單一的橫斷面受力計(jì)算分析已經(jīng)不能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析需求，因此，有必要對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模分析［5－6］。

為了整體受力分析的準(zhǔn)確性，使用有限元數(shù)值模擬軟件midas/Gen對(duì)橋梁承臺(tái)、地鐵車(chē)站和橋梁樁基建立整體模型，使用荷載－結(jié)構(gòu)法進(jìn)行分析計(jì)算。

建模采用空間有限單元法，以車(chē)站縱向?yàn)閄軸，車(chē)站橫向?yàn)閅軸，車(chē)站豎向?yàn)閆軸，各坐標(biāo)軸方向滿(mǎn)足右手準(zhǔn)則。橋梁承臺(tái)、車(chē)站結(jié)構(gòu)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(diǎn)之間采用主從約束進(jìn)行模擬，承臺(tái)用實(shí)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(jì)算時(shí)由橋梁專(zhuān)業(yè)提供上部橋梁結(jié)構(gòu)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(jìn)行整體計(jì)算，通過(guò)試算，對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)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(diǎn)處側(cè)墻開(kāi)洞大，且雙向受力，此處結(jié)構(gòu)縱橫向剛度直接影響了車(chē)站的整體受力性能。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，在換乘節(jié)點(diǎn)處采用4縱梁×4橫梁體系，縱橫梁相交處均設(shè)置直徑為1.1 m的框架圓柱，同時(shí)換乘節(jié)點(diǎn)處頂、中、底板均按照雙向主筋配筋。承受橋梁集中荷載的車(chē)站中立柱內(nèi)力較大(最大中立柱軸力達(dá)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(qiáng)柱配筋(主筋采用24根直徑為28 mm的三級(jí)鋼筋，箍筋采用直徑為12 mm@100 mm的鋼筋)等措施進(jìn)行加強(qiáng)，經(jīng)檢算軸壓比不大于0.8，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 抗震性能研究

車(chē)站位于7度地震區(qū)，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能要求較一般7度地區(qū)更高。因換乘節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)不規(guī)則，因此，對(duì)換乘節(jié)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性性能研究十分必要，抗震分析采用時(shí)程分析法，計(jì)算時(shí)程步長(zhǎng)取為0.02 s。為降低抗震的不利影響，1號(hào)線(xiàn)結(jié)構(gòu)在跨越2號(hào)線(xiàn)的兩側(cè)各設(shè)置了一條結(jié)構(gòu)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(diǎn)抗震計(jì)算模型Fig.5 Seismic calculation model of the transfer node of the Metro stations

計(jì)算時(shí)使用的地震波為50年超越概率為10%的地震波時(shí)程曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 時(shí)程分析曲線(xiàn)Fig.6 Curve of time history analysis

對(duì)于每一條地震波，進(jìn)行3個(gè)方向的地震動(dòng)計(jì)算，即X，Y，Z方向的水平地震分析。根據(jù)整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性初步分析結(jié)果，由于上部橋梁墩臺(tái)集中作用影響，地鐵車(chē)站中立柱與底縱梁內(nèi)力較大。設(shè)計(jì)中換乘節(jié)點(diǎn)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(mǎn)足抗震要求。

5 結(jié)論與體會(huì)

1)本工程突破了橋站合建中建筑功能融合但結(jié)構(gòu)受力需各自獨(dú)立的禁錮，車(chē)站與橋梁融為一體，避免了橋梁樁基礎(chǔ)穿越車(chē)站對(duì)車(chē)站建筑功能的影響，增強(qiáng)了車(chē)站的整體穩(wěn)定性，提升了結(jié)構(gòu)的受力性能，對(duì)地鐵車(chē)站設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

2)上部橋梁的承臺(tái)通過(guò)與地鐵車(chē)站頂板及圍護(hù)結(jié)構(gòu)固接，將荷載傳遞至車(chē)站下部樁基及兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，保證了荷載的傳力途徑及結(jié)構(gòu)整體的受力安全。

3)換乘節(jié)點(diǎn)采用縱橫梁體系對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，提升了開(kāi)敞結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4)由于橋梁基礎(chǔ)與地鐵車(chē)站頂板固結(jié)，地鐵結(jié)構(gòu)頂板防水不能實(shí)現(xiàn)全包，下階段需對(duì)結(jié)構(gòu)防水，尤其是頂板防水做詳細(xì)研究。

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