劉科成

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300308）

隨著各城市地鐵的不斷發(fā)展，地鐵車站公共區(qū)對空間的要求越來越高，逐漸從滿足基本運(yùn)營條件，發(fā)展到滿足人們視覺享受，地下車站不再是千篇一律的對稱式矩形框架結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)較好的藝術(shù)效果，越來越多的車站開始在空間上大膽創(chuàng)新，將地鐵車站打造成“地下藝術(shù)宮殿”。大跨度的空間，對理論計(jì)算及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)均有較高的要求，特別是前期未預(yù)留條件，后期又需要改造的項(xiàng)目。

本文結(jié)合武漢地鐵6號線一期工程漢正街站的改造設(shè)計(jì)，通過理論計(jì)算，分析各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加強(qiáng)措施，最終實(shí)現(xiàn)了“側(cè)跨中庭”的較好藝術(shù)效果，為今后類似工程的設(shè)計(jì)與施工起到參考作用。

1 工程概況

漢正街站為地下3層島式站臺車站，為特色藝術(shù)車站，擺脫了常規(guī)站體形式，創(chuàng)造了在全國地鐵中首次側(cè)跨樓板全部打開的先河［1］。見圖1。

圖1 漢正街站

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，打開車站負(fù)一層南側(cè)側(cè)跨中板，范圍為車站南側(cè)8～16軸負(fù)一層側(cè)跨，開洞尺寸為71.96 m×14.95 m（長×寬）。由于改造影響區(qū)域負(fù)三層結(jié)構(gòu)（含底板、負(fù)二層中板、負(fù)三層側(cè)墻、負(fù)三層結(jié)構(gòu)柱）現(xiàn)場已施工，為實(shí)現(xiàn)該站的藝術(shù)效果，需對已實(shí)施的部分車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造以滿足新條件下結(jié)構(gòu)受力要求。本站開洞面積大，約1 075 m2；南側(cè)側(cè)墻豎向跨度大，豎向凈空11.65 m，車站結(jié)構(gòu)不對稱，對結(jié)構(gòu)受力影響大。見圖2和圖3。

圖2 車站標(biāo)準(zhǔn)段橫剖面

圖3 車站已施工部分與中庭開洞范圍關(guān)系

2 車站開敞空間改造設(shè)計(jì)

針對中庭方案，需對已施工結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，未施工結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新復(fù)核設(shè)計(jì)，綜合考慮結(jié)構(gòu)受力安全及現(xiàn)場施工的難易程度，采取的主要措施包括：車站底板及立柱樁改造；車站南側(cè)側(cè)墻改造；車站結(jié)構(gòu)柱改造；未施工部分頂板及頂板梁加大。見圖4。

圖4 車站改造剖面

以下主要介紹負(fù)三層改造方案設(shè)計(jì)，對于未施工的負(fù)一層、負(fù)二層結(jié)構(gòu)部分不再詳述。

2.1 車站底板及立柱樁改造

車站底板原設(shè)計(jì)厚度為1 200 mm，變更后車站南側(cè)底板需加厚，由于底板已施工完成，向下加厚已無可能；因此，通過調(diào)整南側(cè)軌道排水方向，將車站底板向上加厚200 mm，鑿除底板上側(cè)保護(hù)層，在既有鋼筋上鋪設(shè)一層分布筋及加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋設(shè)置在最外層并穿過上翻底縱梁，既有結(jié)構(gòu)底板之上植入插筋，上翻底梁通過水鉆取孔將加強(qiáng)鋼筋穿過縱梁；臨時(shí)立柱樁原設(shè)計(jì)不兼抗拔作用，變更后通過在底板上增設(shè)縱梁將臨時(shí)立柱與縱梁錨于一起兼抗拔起安全儲備作用（理論計(jì)算不考慮其抗拔作用）；在站臺板下，除預(yù)留管線通道外回填素混凝土壓重，增加豎向作用力。見圖5和圖6。

圖5 底板改造

2.2 車站南側(cè)側(cè)墻改造

車站南側(cè)側(cè)墻負(fù)三層原設(shè)計(jì)厚度900 mm，變更后既有側(cè)墻需加厚處理，在南側(cè)負(fù)三層底板與側(cè)墻節(jié)點(diǎn)處增設(shè)縱梁并設(shè)置反坡使其形成剛域，以抵抗角部應(yīng)力集中區(qū)；加厚側(cè)墻外側(cè)主筋需穿過既有中板并伸至結(jié)構(gòu)頂板作為負(fù)一層側(cè)墻內(nèi)側(cè)主筋；中板通過水鉆取孔，直徑50 mm、間距150 mm；同時(shí)在中板上取澆筑孔，直徑250 mm、間距1 500 mm；考慮到取孔可能對既有結(jié)構(gòu)造成較大影響，加厚側(cè)墻內(nèi)主筋不穿過中板，直接焊接于既有中板底部，新舊混凝土界面鑿毛處理，表面沖洗干凈并采取植筋加強(qiáng)混凝土面連接。見圖7。

圖7 南側(cè)側(cè)墻處理剖面

2.3 車站結(jié)構(gòu)柱改造

車站結(jié)構(gòu)柱由雙柱變單柱，已施工負(fù)三層結(jié)構(gòu)柱截面不滿足結(jié)構(gòu)受力要求，因此對既有結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行改造，通過對增大截面加固法、外包角鋼加固法、粘鋼加固法等方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力、現(xiàn)場施工難易程度、建筑建材防火要求的比選，采用增大截面加固法最可靠[2]。通過采用柱頂臨時(shí)加腋，中板取澆筑孔方法解決現(xiàn)場混凝土澆筑困難。變更前結(jié)構(gòu)柱截面尺寸為700 mm×1 200 mm，變更后截面尺寸為900 mm×1 400 mm。

2.4 未施工部分頂板及頂板梁加大

未施工的負(fù)一層、負(fù)二層原設(shè)計(jì)頂板厚度為800 mm，側(cè)墻厚度分別為800、900 mm，板墻腋角為300 mm×900 mm，頂縱梁尺寸為1 200 mm×1 400 mm，中縱梁尺寸為1 100 mm×900 mm；側(cè)跨負(fù)一層中板打開后，經(jīng)過計(jì)算，結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整為：頂板1 200 mm，南側(cè)側(cè)墻1 300 mm，北側(cè)側(cè)墻900 mm，腋角600 mm×1 800 mm，頂縱梁1 400 mm×1 400 mm，中縱梁1 300 mm×1 200 mm。

3 開敞空間改造計(jì)算分析

根據(jù)車站結(jié)構(gòu)的類型和施工方法，按照規(guī)范[3～5]對施工階段和正常使用階段進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，必要時(shí)進(jìn)行剛度和穩(wěn)定性計(jì)算及抗裂和裂縫寬度驗(yàn)算。當(dāng)計(jì)及地震或其他偶然荷載作用時(shí)可不驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的裂縫寬度，按荷載的短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)組合的影響。本計(jì)算中最大裂縫寬度的計(jì)算式中保護(hù)層的實(shí)際厚度超過30 mm時(shí)，取其計(jì)算值為30 mm。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所考慮的計(jì)算荷載主要有永久荷載、可變荷載和偶然荷載，按結(jié)構(gòu)在使用階段可能出現(xiàn)的最不利情況進(jìn)行荷載組合。

主體結(jié)構(gòu)按橫向框架進(jìn)行計(jì)算分析。板、墻、柱等構(gòu)件均簡化為桿件，取每延米為一計(jì)算單元，柱的剛度按縱向柱距分配至每米計(jì)算。采用SAP2000軟件進(jìn)行計(jì)算，采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模型，按平面桿系有限元法進(jìn)行計(jì)算[6]。

對近期使用階段（低水位+靜止土壓力工況）、遠(yuǎn)期使用階段（設(shè)防水位+靜止土壓力工況）及地震作用分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示遠(yuǎn)期使用階段起控制作用。結(jié)果計(jì)算顯示結(jié)構(gòu)內(nèi)力及撓度均滿足設(shè)計(jì)要求，采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施及改造措施能滿足設(shè)計(jì)要求[6]。見圖8。

圖8 計(jì)算結(jié)果

4 建議

1）對于改造的車站，方案設(shè)計(jì)時(shí)需考慮具體施工工藝的復(fù)雜程度，現(xiàn)場實(shí)施條件，綜合比較工期、投資、可實(shí)施性。

2）板墻交界處計(jì)算內(nèi)力較大，可通過增設(shè)反坡縱梁使其形成剛域，以抵抗角部應(yīng)力集中區(qū)。

3）既有結(jié)構(gòu)尺寸加大，側(cè)墻需要注意行車限界的要求，結(jié)構(gòu)底板需要注意軌道的要求。

4）為實(shí)現(xiàn)大跨度，未施工頂板除加大結(jié)構(gòu)尺寸及配筋、端部設(shè)置大腋角外，可探索采用后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。