汪 樂， 王 濤， 宋 磊

(中設設計集團股份有限公司， 江蘇 南京 210014)

0 引言

近年來，隨著中國城市化進程的加快，城市人口及機動車數(shù)量不斷增加，交通擁擠問題日益突出。為解決這一典型“城市病”，大中城市通過加快建設軌道交通及高架快速路，豐富出行方式，健全城市立體交通體系，有效地改善了交通出行環(huán)境。由于城市內空間有限，特別是人口及交通密集區(qū)域，地鐵及市政高架工程會不可避免地發(fā)生場地沖突，在條件受限的情況下，考慮兩者合建是解決問題的一種有效手段[1]。

目前，國內已有不少地鐵明挖車站與上部市政橋梁合建的實例。廣州地鐵4、5號線換乘站車陂南站在地鐵頂板設置橫向橋墩轉換梁，連接上部橋梁樁基和下部地鐵車站鋼管柱[2]；上海地鐵14號線張楊路站加強車站梁柱結構，上部橋梁墩柱直接支承在車站頂板縱梁上[3]；廈門地鐵1、2號線換乘站呂厝站頂板與上部橋梁承臺固結連接，車站橫向設置型鋼混凝土雙柱，柱下設置樁基，縱向柱跨與上部橋梁跨度匹配一致[4-5]；合肥地鐵1號線蕪湖南路站、南一環(huán)站及水陽江路站采用一種新型“樁、柱、墩的固結、浮放轉換體”結構，即高架橋橋墩基礎浮放到車站頂板上，保持橋梁墩柱、車站鋼管柱與橋梁樁基豎向同心，在上部橋梁墩臺集中力直接傳遞到地基的同時，可保證車站頂板節(jié)點防水閉合[6]；成都地鐵2號線中醫(yī)學院站在地鐵頂板處設置承臺，連接上部橋梁樁基和下部地鐵車站鋼管樁[7]。

上述工程中，地鐵明挖車站與上部橋梁合建時采用了不同的結構轉換形式和加強措施，較好地實現(xiàn)了

結構的合建運營，為類似工程提供了豐富可靠的借鑒。但現(xiàn)有研究主要集中在基于理論基礎的合建結構節(jié)點處理方式上，對關鍵結構部位內力及變形的影響分析相對較少。本文依托成都地鐵白佛橋明挖車站與其上部市政橋梁的建設，采用工程類比、理論分析及數(shù)值計算等方法，重點研究合建結構承載能力、變形控制、抗震性能等核心技術問題，以期為今后類似工程提供新的設計思路和經(jīng)驗參考。

1 工程背景

成都地鐵17號線白佛橋站位于永康路和規(guī)劃智遠大道交叉口，沿永康路東西向敷設，為地下2層雙柱3跨島式車站，站臺寬度為14 m,頂板覆土約為3.5 m，底板坐落在〈3-8-3〉密實卵石土層中，埋深約為19.2～20.4 m。車站與遠期33號線(沿規(guī)劃智遠大道南北向敷設，為地下1層)在車站東端T形換乘。

沿永康路上方規(guī)劃有草金路快速化改造工程，采用高架橋形式，橋梁墩柱沿17號線車站縱向布置，落在車站頂板上方，與地鐵車站進行合建，工程平面位置如圖1所示。由于金川路西側車站頂板上方有三吏堰河流臨時及永久性改遷箱涵，規(guī)劃智遠大道西側車站頂板因環(huán)控要求需局部上抬，區(qū)域內不具備高架橋橋墩布設條件。

2 站-橋合建結構分析及研究

2.1 需解決的重難點問題

確保地鐵明挖車站-市政高架橋合建結構的受力合理和變形協(xié)調，滿足2種不同結構在強度、變形、抗震以及防水等方面的功能要求，是合建結構設計時需解決的重難點問題。

2.2 站-橋結構的連接方式

地鐵明挖車站-市政橋梁合建結構的連接轉換節(jié)點部位為橋梁墩臺，其與地鐵車站頂板有浮放連接和固結連接2種連接方式： 浮放連接即地鐵車站頂板與市政橋梁墩臺結構脫開，通過橋梁承臺接觸面?zhèn)鬟f上部荷載；固結連接即地鐵車站頂板直接作為橋梁承臺與橋墩固結。根據(jù)相關研究，站-橋浮放連接能在一定程度上降低車站梁板結構彎矩，優(yōu)化柱軸力分布，且可保證車站頂板節(jié)點全包防水閉合，但站-橋浮放連接時，橋梁承臺無有效約束作用，不利于上部橋梁的位移控制，抗震性能相對較差[2,9-10]。考慮合建結構的安全及變形控制要求，橋梁墩臺與車站頂板采用固結連接。

2.3 橋梁墩臺的布設方案

本工程中的市政高架橋梁為城市快速路，設計規(guī)格為雙向6車道，橋面寬度為23.5 m，采用1.5 m鋼箱梁結構。橋梁沿永康路路中敷設，支座下設置雙墩，平面上位于地鐵車站中跨。在結構橫向上，綜合考慮地鐵車站內部空間使用與橋下兩側道路寬度要求，橋墩軸線盡量靠近車站框架柱軸線，以便有效傳遞豎向荷載，減小對車站結構的影響。在結構縱向上，車站頂板可布設橋墩的范圍內，避開車站端頭井、換乘節(jié)點等結構受力復雜區(qū)域；同時，橋梁跨度與車站框架柱以9 m柱跨進行匹配，在滿足安全、環(huán)境要求的條件下，車站上方橋梁標準段跨度設置為27 m。橋墩平面布置如圖2所示。

圖2 橋墩平面布置示意圖(單位： mm)Fig. 2 Plan of layout of bridge piers (unit: mm)

2.4 結構內力及變形分析

2.4.1 計算模型

選取橋梁標準跨與地鐵車站的合建結構，利用通用結構分析設計程序SAP2000，根據(jù)結構實際尺寸建立地鐵車站三維空間荷載-結構模型，如圖3所示。其中，x向為橋梁及地鐵車站縱向，地鐵車站柱分別位于x=9n(n=0、1、2、3、4、5 m)處，橋墩軸線位于x=9 m和x=36 m處；y向為車站橫向，地鐵車站側墻中心線位于y=0 m和y=22.5 m處，框架柱位于y=8.1 m和y=14.4 m處，橋墩軸線位于y=9 m和y=13.5 m處；z向為車站高度方向，車站底、中、頂板中心線分別位于z=0 m，z=9.1 m和z=15.2 m處。

圖3 荷載-結構三維計算模型(單位： m)Fig. 3 Three-dimensional load-structure calculation model (unit: m)

車站板、墻結構采用厚殼面單元進行模擬，梁、柱結構采用框架線單元進行模擬，交界單元之間采用軟件提供的自動邊束縛功能進行耦合[11]。車站底板及側墻上設置僅受壓彈簧模擬土體作用，根據(jù)地勘報告提供的土體基床系數(shù)，水平向及豎直向彈簧剛度分別設置為85 MPa/m2和71 MPa/m2。

上部橋梁荷載是影響合建結構設計的控制性因素，因此，對其正常使用工況進行驗算。其中，橋梁上部豎向軸力N=7 647.1 kN，將其換算成集中分布荷載(p=2 074 kPa)作用在車站頂板上的橋墩范圍內，其余荷載(順橋向剪力Vx=203.6 kN，彎矩Mxx=2 206.9 kN·m;橫橋向剪力Vy=574.4 kN，彎矩Myy=2 541.0 kN·m)簡化為集中力作用在橋墩中心節(jié)點處；地鐵車站周邊水土壓力、地面超載、人群、設備及裝修荷載、列車荷載換算成均布面荷載作用在板墻結構上。

2.4.2 內力計算結果

與車站頂板上方無橋梁荷載作用時相比，車站板、墻及梁柱各結構構件的內力(準永久組合)見表1—5?？芍?/p>

1)地鐵車站頂板及底板中跨在橋墩周邊2～3 m，跨中及支座處彎矩、剪力有較大幅度增長；車站頂板及底板邊跨框架柱周邊1～4 m，支座負彎矩及剪力有較大幅度增長；車站地下1層側墻頂板支座處負彎矩有一定幅度增加，而車站中板地下2層側墻彎矩及剪力變化較小。

2)橋墩軸線所在位置處的頂板及中板縱梁支座負彎矩有較大幅度減小，相鄰軸線處支座負彎矩有較大幅度增加；橋墩軸線所在位置處的底板縱梁支座負彎矩有較大幅度增加，相鄰軸線處影響較小。

3)橋墩軸線位置處的框架柱軸力增加80%，相鄰軸線處的框架柱軸力增加14%；同時，以豎向軸心受力為主的框架柱，柱頂和柱底出現(xiàn)一定大小的彎矩和橫向剪力。

表1 橋梁荷載作用對地鐵車站頂板及頂縱梁內力的影響Table 1 Influence of bridge load on internal force of roof and longitudinal beam of metro station

表2 橋梁荷載作用對地鐵車站中板及中縱梁內力的影響Table 2 Influence of bridge load on internal force of middle plate and longitudinal beam of metro station

表3 橋梁荷載作用對地鐵車站底板及底縱梁內力的影響Table 3 Influence of bridge load on internal force of floor and longitudinal beam of metro station

表4 橋梁荷載作用對地鐵車站側墻內力的影響Table 4 Influence of bridge load on internal force of sidewall of metro station

表5 橋梁荷載作用對地鐵車站框架柱內力的影響Table 5 Influence of bridge load on internal force of frame column of metro station

2.4.3 變形計算結果

圖4 地鐵車站頂板沉降變形云圖(單位： mm)Fig. 4 Settlement nephogram of roof of metro station (unit: mm)

圖5 地鐵車站中板沉降變形云圖(單位： mm)Fig. 5 Settlement nephogram of middle plate of metro station (unit: mm)

另外，考慮在橋墩作用處的車站底板柱下設置樁基時，結構構件內力及變形無明顯變化；當車站基底地基承載力減小50%時，車站結構構件內力無明顯變化，各層板沉降增加約10%。

3 關鍵技術的設計解決

3.1 合建結構方案

根據(jù)合建結構內力及變形計算結果，結合類似工程經(jīng)驗，對橋墩影響范圍內的車站頂?shù)装搴蛡葔Φ暮穸燃芭浣钸M行增強(如圖6—7所示)，以滿足其承載能力、變形、裂縫控制等要求；增大橋墩軸線下方的地鐵車站框架柱截面，并采用型鋼-混凝土組合結構(內插十字型工字鋼)，以滿足其承載能力及穩(wěn)定性要求；另外，由于基坑開挖對基底土層造成擾動，導致車站底板地基承載力下降，在框架柱下設置直徑1 800 mm的樁基以減小結構沉降。

圖6 地鐵車站結構加強示意圖(單位： mm)Fig. 6 Sketch of metro station structure strengthening (unit: mm)

圖7 車站-橋梁合建結構橫剖面圖(單位： mm)Fig. 7 Cross-section of integrated structure of metro station and bridge (unit: mm)

3.2 結構抗震分析

本工程抗震設防類別為重點設防類，抗震設防烈度為7度，地震動峰值加速度為0.10g(g為重力加速度，9.8 m/s2)，抗震等級為3級。結構抗震設防標準應按高于本地區(qū)抗震設防烈度1度(即Ⅷ度)的要求加強其抗震措施，對于與上部市政橋梁合建的地鐵車站結構，更有必要對其動力特性進行研究。

建立地鐵車站與上部橋梁墩臺的整體三維模型，選取LS-DYNA軟件，采用非線性時程分析法進行結構抗震計算分析，如圖8所示。模型上邊界取至地表，上部建立橋墩并在墩頂設置質量塊，下邊界取至等效基巖面，橫向邊界設置無反射邊界，模型底部沿橫向及縱向施加地震動加速度荷載[13]。

圖8 抗震計算分析模型Fig. 8 Analysis model of seismic calculation

基巖輸入波峰值加速度為0.1g，分別采用汶川波、EI-Centro人工波和RG波沿橫向及縱向輸入，計算后由Ls-prepost提取內力結果，與靜力荷載作用下的內力疊加后得到橫斷面內力極值。計算結果顯示: 在各地震工況下，車站板、墻、梁等構件在支座處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，支座處彎矩有較大增加。經(jīng)核算，各構件的承載力強度均滿足設計要求，車站框架柱的軸壓比為0.52，小于規(guī)范要求的限值(0.75)。

橋墩位置處的車站結構柱關鍵節(jié)點處的橫向及縱向時程位移曲線如圖9—10所示。可知： 柱頂橫向位移最大，約為16.3 cm，柱底橫向位移最小，約為14.0 cm，相比無橋墩處，最大橫向位移增加約3%；各斷面處的柱縱向位移基本一致，約為16.8 cm。另外，橋墩處車站結構的最大層間位移角最大值為1/327，小于規(guī)范要求的限值(1/250)[14]。

3.3 防水設計方案

地鐵車站結構采用全包防水，由于橋墩及橋樁分別與車站頂板和底板固結，導致節(jié)點處的結構防水無法閉合。為保證地鐵車站結構的防水要求和效果，將車站頂板范圍內的橋梁承臺納入防水防護范圍，外包防水層在橋墩地面處做收口管理，同時橋樁與車站底板固結處按樁頭防水進行節(jié)點加強處理[15]。

圖9 橋墩位置處的柱節(jié)點橫向位移時程曲線Fig. 9 Time-history curves of transverse displacement of column node at bridge pier

圖10 橋墩位置處的柱節(jié)點縱向位移時程曲線Fig. 10 Time-history curve of longitudinal displacement of column node at bridge pier

4 結論與建議

本文通過總結類似工程經(jīng)驗，基于理論基礎，建立大型三維計算模型，全面分析研究了站-橋合建結構的承載能力、變形控制、抗震性能等核心技術問題，厘清了2種不同類型結構結合設計的關鍵要素，彌補了以往研究的不足，得到如下結論。

1)市政橋梁與地鐵明挖車站進行合建時，可將車站結構視作上部市政橋梁的箱型基礎，應統(tǒng)籌考慮橋墩與地鐵車站框架柱的布設方案，避開結構受力復雜區(qū)域，盡量實現(xiàn)上部荷載向地基的最有效傳遞，同時滿足地鐵車站和市政橋梁的安全使用需求。

2)由于上部橋梁荷載通常極大，在橋墩作用位置處，一定范圍內的地鐵車站結構構件內力發(fā)生較大變化，局部甚至發(fā)生突變，應根據(jù)橋梁集中荷載對車站結構的影響，相應增強頂?shù)装?、側墻、框架柱等結構構件尺寸和配筋。

3)上部橋梁集中荷載引起頂板和中板較大面積的沉降增加，而底板因下部地基支撐作用，與無橋梁荷載工況下的沉降值相比無明顯變化，地基承載力大小對結構沉降有一定影響，設計時應予以考慮。

4)地震工況下，橋梁荷載作用對地鐵車站結構影響較小，合建結構的抗震性能可滿足抗震設防要求。

5)下一階段工作中，可結合地鐵和橋梁運營后的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對本文的分析結果進行印證分析，進一步完善優(yōu)化本文的研究成果。