胡清茂 莊亮東 張曉光,3

(1.徐州地鐵集團(tuán)有限公司, 江蘇徐州 221000; 2.清華大學(xué)土木工程系, 北京 100084; 3.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司, 廣州 510010)

0 引 言

21世紀(jì)以來,隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,我國軌道交通進(jìn)入了高速發(fā)展階段,運(yùn)營里程呈爆發(fā)式增長,開通軌道交通的城市數(shù)量逐年增加[1]。隨著軌道交通建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,對車站使用功能的要求也不斷提升,更大的跨度、更寬敞的空間、更舒適的乘坐感成為人民群眾的要求。

無柱車站具有空間通透、視野開闊、客流順暢等優(yōu)點(diǎn),近年來在上海、廣州、深圳等城市的多條軌道交通線路均有采用[2-3]。從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度分析,無柱車站在公共區(qū)不設(shè)柱,跨度較大,且上部承擔(dān)較大的覆土荷載,頂板內(nèi)力和變形都較大,因此頂板結(jié)構(gòu)形式的選擇是無柱車站結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點(diǎn)[4]。廣州地鐵二號線二宮車站無柱區(qū)頂板采用現(xiàn)澆橫向斜推剛構(gòu)的框架結(jié)構(gòu)體系[5]。林偉波依托廣州地鐵11號線工程,采用有限元分析方法研究了頂板加腋式大跨無柱地鐵車站在正常工況下頂板的受力性能和地震作用下車站的響應(yīng)特性[6]。楊成蛟等結(jié)合沈陽地鐵3號線一期工程,對明挖無柱拱形地鐵車站的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了力學(xué)性能、建筑空間、管線綜合等多方面的研究[7-8]。袁文對采用變截面頂板和拱形頂板的大跨無柱車站在動、靜荷載作用下的力學(xué)行為展開研究[9]。宋冉等通過建立整體計算模型,研究裝配式拱形頂板大跨無柱地下車站的變形和內(nèi)力情況[10]。高偉等對上海軌道交通15號線上海南站站拱形大跨無柱車站在不同覆土條件下的整體受力特性進(jìn)行了對比分析[11]。朱坤朋結(jié)合濟(jì)南地鐵某車站工程對拱形地鐵車站站臺層設(shè)柱與不設(shè)柱方案進(jìn)行了受力對比分析[12]。孫菲提出等弧拱形地鐵車站、圓角拱形地鐵車站和直角拱形地鐵車站三種結(jié)構(gòu)形式,采用有限元分析方法對三種裝配式拱形頂板車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比研究[13]。

根據(jù)上述文獻(xiàn)調(diào)研的結(jié)果,無柱車站常采用的頂板結(jié)構(gòu)形式有密肋梁、變截面板、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁、拱形頂板等。密肋梁方案、預(yù)應(yīng)力方案和拱形頂板方案施工難度較大,變截面板方案能夠較好地利用空間,同時施工相對簡便,成為無柱車站實際應(yīng)用時最常采用的結(jié)構(gòu)方案。但變截面板方案需加厚側(cè)墻結(jié)構(gòu),使用空間減少、結(jié)構(gòu)自重增大,且工程造價較高。

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮鋼材與混凝土的力學(xué)性能,材料利用率更高,構(gòu)件截面尺寸更小,可明顯減輕結(jié)構(gòu)自重,增加建筑空間,在大跨重載頂板結(jié)構(gòu)中具有較為明顯的優(yōu)勢,且得到了廣泛的應(yīng)用[14],同時,鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在施工時可利用鋼梁作為混凝土板施工的支撐,明顯減少混凝土施工時的支撐工程量,縮短施工周期。因此,該結(jié)構(gòu)體系在無柱車站中也具有較大的潛力,然而目前將鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系與無柱車站結(jié)合的研究還比較少,缺乏相應(yīng)的理論分析和建模計算驗證該結(jié)構(gòu)體系在無柱車站中應(yīng)用的可行性。

針對上述現(xiàn)狀,本文依托徐州市軌道交通3號線南三環(huán)車站工程,針對該車站的大跨無柱換乘節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu),提出鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)方案,與原變截面混凝土大板方案進(jìn)行對比,從結(jié)構(gòu)自重、構(gòu)件尺寸、受力性能、施工速度等方面分析鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)勢,并建立無柱車站換乘節(jié)點(diǎn)的整體有限元模型,研究整體結(jié)構(gòu)在典型荷載工況下的受力性能和關(guān)鍵構(gòu)件的受力狀態(tài),結(jié)合有限元分析結(jié)果給出該結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計建議,為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在類似大跨無柱車站的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

徐州市軌道交通3號線南三環(huán)車站是國內(nèi)罕見的采用無柱換乘形式并與市政下穿隧道耦合設(shè)計的軌道交通車站。圖1～3分別為南三環(huán)車站的縱、橫斷面示意和平面。車站縱向上部設(shè)有北京路下穿隧道,車站范圍內(nèi)下穿道與車站站廳層頂板同寬共板建設(shè)。南三環(huán)站同時還是地鐵3號線和4號線的“T”形換乘車站,受建設(shè)條件控制,選用12 m大跨無柱站臺的結(jié)構(gòu)形式,車站結(jié)構(gòu)凈寬約為21 m(圖2);為滿足客流換乘需求,擬抽去站廳層的部分結(jié)構(gòu)柱和側(cè)墻結(jié)構(gòu),跨度將達(dá)到36 m(圖3)。

圖1 南三環(huán)車站縱斷面

圖2 南三環(huán)車站結(jié)構(gòu)橫斷面示意 m

圖3 南三環(huán)車站平面 mm

車站結(jié)構(gòu)頂板承受較大的覆土荷載,同時城市道路以及市政下穿隧道的通行車輛對車站結(jié)構(gòu)的受力也會產(chǎn)生較大影響。

2 結(jié)構(gòu)方案

徐州市南三環(huán)站為地下兩層島式車站,站臺寬度為12 m,車站結(jié)構(gòu)凈寬度為21.1 m(圖2),標(biāo)準(zhǔn)段采用無柱單跨箱形框架結(jié)構(gòu)。

原方案中換乘節(jié)點(diǎn)(即大跨縱梁所在區(qū)域,下同)隧道層和站廳層頂板均為變截面混凝土大板,如圖4所示。隧道層頂板腋角高3.2 m、長1 m,跨中高1.2 m;站廳層頂板腋角高2.3 m、長0.8 m,跨中高1.1 m。頂板均采用C35級混凝土。換乘節(jié)點(diǎn)柱間縱梁采用型鋼混凝土梁,與兩側(cè)結(jié)構(gòu)柱剛接。縱梁截面尺寸如圖5和表1所示。

表1 混凝土大板方案縱梁截面尺寸

a—下穿隧道層頂板結(jié)構(gòu)布置方案; b—車站站廳層頂板結(jié)構(gòu)布置方案; c—結(jié)構(gòu)斷面示意。

圖5 混凝土大板方案縱梁截面示意

新方案中頂板采用單向鋼-混凝土組合樓蓋的結(jié)構(gòu)形式,如圖6所示。橫梁跨度20.3 m,采用Q355-C級工字梁,間距2 m,兩端鉸接,梁高分別為950 mm和850 mm;樓板采用C35級混凝土,板厚250 mm。換乘節(jié)點(diǎn)柱間縱梁采用開口箱梁,與兩側(cè)結(jié)構(gòu)柱剛接,一側(cè)縱梁跨度為36 m,另一側(cè)縱梁跨度為26 m。橫梁和縱梁截面設(shè)計結(jié)果如圖7和表2所示。

表2 組合結(jié)構(gòu)方案梁截面尺寸

a—下穿隧道層頂板結(jié)構(gòu)布置方案; b—車站站廳層頂板結(jié)構(gòu)布置方案; c—結(jié)構(gòu)斷面示意。

a—橫梁; b—縱梁。btf為型鋼上翼緣寬度;ttf為型鋼上翼緣厚度;tw為型鋼腹板厚度;bbf為型鋼下翼緣寬度;tbf為型鋼下翼緣厚度;hs為型鋼高度;hc為混凝土板厚度。

頂板區(qū)域與縱梁鉸接可以減小縱梁所受扭矩作用,原方案頂板和縱梁均為混凝土構(gòu)件,鉸接難以實現(xiàn)。

與原變截面板方案相比,采用組合結(jié)構(gòu)樓蓋能夠顯著減輕結(jié)構(gòu)自重、節(jié)約建筑空間,經(jīng)濟(jì)效益顯著。同時,柱間縱梁由型鋼混凝土梁改為箱形鋼-混凝土組合梁,雖用鋼量有所增加,但無須鋼筋綁扎,極大簡化了構(gòu)造和施工。兩方案中頂板和縱梁主要指標(biāo)對比列于表3中。

表3 方案對比

3 建立計算模型

3.1 整體模型

采用有限元分析軟件MIDAS Gen 2021建立換乘節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)兩個方案的三維計算模型。

換乘節(jié)點(diǎn)縱梁對周邊結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)具有一定的影響,距離換乘節(jié)點(diǎn)區(qū)域越近,所受影響越大。為了兼顧計算的可靠性與高效性,模型縱向長度取為54 m,如圖8所示。36 m跨縱梁距兩端分別為11 m和7 m,26 m跨縱梁距兩端分別為5 m和23 m,此時,縱梁對模型端部構(gòu)件的影響已十分微弱。

a—變截面板方案; b—組合結(jié)構(gòu)方案。

變截面板方案結(jié)構(gòu)柱和縱梁采用梁單元建模,側(cè)墻采用板單元建模。樓蓋混凝土大板采用250 mm厚板單元和變截面梁單元建模,通過共節(jié)點(diǎn)的板單元和梁單元模擬頂板的整體性。

組合結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)柱、橫梁和縱梁均采用梁單元建模。樓蓋混凝土板和側(cè)墻采用板單元建模。

3.2 材料參數(shù)

材料標(biāo)號與設(shè)計標(biāo)號一致,直接從MIDAS Gen軟件數(shù)據(jù)庫中選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)與材料。混凝土材料參考GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》,鋼材參考GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》。

3.3 邊界條件

1)設(shè)置截面偏心模擬實際構(gòu)件的相對位置關(guān)系;

2)組合結(jié)構(gòu)方案在橫梁和樓蓋混凝土板兩端釋放約束,模擬鉸接的邊界條件;

3)3號線站臺層未抽去結(jié)構(gòu)柱和側(cè)墻結(jié)構(gòu)(圖3),可認(rèn)為站廳層底部為固定約束[15],建立一般支承約束其轉(zhuǎn)動和平動自由度。

3.4 荷載條件

隧道層和站廳層頂板均承受較大的荷載。根據(jù)CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》和GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,頂板恒荷載設(shè)計值取為40 kN/m2,頂板等效均布活荷載設(shè)計值取為20 kN/m2;底板恒荷載設(shè)計值取為20 kN/m2,底板等效均布活荷載設(shè)計值取為30 kN/m2。此外,隧道層縱梁間的側(cè)墻采用僅承受水土壓力的構(gòu)造墻,不參與豎向抗彎,等效為線荷載。計算荷載如表4所示。

表4 結(jié)構(gòu)計算荷載

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1,基本荷載組合下恒荷載分項系數(shù)為1.3,活荷載分項系數(shù)為1.5。

4 計算結(jié)果分析

4.1 結(jié)構(gòu)變形

圖9為換乘節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)變形云圖。

a—變截面板方案; b—組合結(jié)構(gòu)方案。

兩方案結(jié)構(gòu)整體變形情況相近。結(jié)構(gòu)變形以豎向變形為主,表現(xiàn)為隧道層、站廳層頂板和兩側(cè)縱梁的向下變形,其中隧道層頂板變形相對較大。在換乘節(jié)點(diǎn)處兩側(cè)的大跨縱梁具有不對稱性,跨度較大一側(cè)縱梁豎向變形較大,樓板變形也向該側(cè)略有傾斜。隧道層頂板中部為結(jié)構(gòu)變形最大處。

兩方案主要構(gòu)件的跨中撓度對比如表5所示。變截面板方案整體剛度較大,變形情況較好,但混凝土結(jié)構(gòu)對抗裂性要求較高,撓跨比限值較小。

表5 主要構(gòu)件變形

4.2 構(gòu)件受力狀態(tài)

4.2.1板單元應(yīng)力分析

圖10反映隧道層、站廳層頂板混凝土板和側(cè)墻混凝土板的應(yīng)力情況。

a—變截面板方案; b—組合結(jié)構(gòu)方案。

側(cè)墻整體應(yīng)力水平較小。頂板中部壓應(yīng)力最大,隨著與縱梁所在區(qū)域距離的增加,應(yīng)力水平逐漸減小。兩方案在頂板與結(jié)構(gòu)柱相接處具有較大的拉應(yīng)力,但組合結(jié)構(gòu)方案可明顯緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象,角部混凝土最大主應(yīng)力由34.3 MPa降為22.8 MPa。

4.2.2梁單元內(nèi)力分析

圖11、圖12分別為變截面板方案和組合結(jié)構(gòu)方案頂板橫梁、大跨縱梁和結(jié)構(gòu)柱內(nèi)力。表6為結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件在基本荷載組合下的部分內(nèi)力值。

表6 主要構(gòu)件內(nèi)力

a—彎矩,kN·m; b—軸力,kN; c—剪力,kN; d—扭矩,kN·m。

a—彎矩,kN·m; b—軸力,kN; c—剪力,kN; d—扭矩,kN·m。

首先對活荷載各種不利狀況進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,活荷載分布對結(jié)構(gòu)整體受力情況無明顯影響。

兩方案中縱梁和結(jié)構(gòu)柱的受力情況類似,均處于壓(拉)彎剪扭復(fù)合受力狀態(tài),跨度大的縱梁受力

狀況更不利?？v梁支座處受負(fù)彎矩、剪力、扭矩控制,跨中主要受正彎矩控制。結(jié)構(gòu)柱壓力起到控制作用,站廳層柱軸力明顯大于隧道層柱軸力。

通過數(shù)值分析可以看出,鉸接邊界條件使組合結(jié)構(gòu)縱梁的受力得到優(yōu)化:1)軸力和支座處剪力、扭矩明顯降低,即四道大跨縱梁軸力減小70%～90%,剪力減小20%～30%,扭矩減小40%～70%。2)支座負(fù)彎矩增大、跨中正彎矩減小,正、負(fù)彎矩數(shù)值相近,構(gòu)件彎矩分布更合理,即縱梁跨中正彎矩與支座負(fù)彎矩的比值分別由0.3、0.4增大至0.7、0.9。

兩條線路斜交鈍角處橫梁的受力狀況最不利,需做加強(qiáng)處理。邊界條件的改變也優(yōu)化了組合結(jié)構(gòu)方案橫梁的受力:1)整體分布較為均勻,不同位置橫梁內(nèi)力相近。2)無扭矩、梁端負(fù)彎矩作用,跨中正彎矩、剪力減小。

5 結(jié) 論

依托徐州市軌道交通3號線南三環(huán)站項目,針對該車站換乘節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu),提出鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)方案,與原變截面混凝土大板方案進(jìn)行對比,并借助有限元軟件,對結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行分析研究,得到以下結(jié)論:

1)提出的組合結(jié)構(gòu)方案實現(xiàn)了對換乘節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的,與原變截面混凝土大板方案相比,頂板結(jié)構(gòu)自重減輕約80%、原腋角處梁高降低約60%、縱梁梁高降低10%～20%,且鋼梁可用作混凝土澆筑的模板,簡化施工工序。

2)結(jié)構(gòu)變形以豎向變形為主,隧道層和站廳層頂板中部應(yīng)力和變形較大。組合結(jié)構(gòu)方案整體變形較原方案大,但抗裂要求低。

3)兩條地鐵線路斜交,換乘節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)受力和變形具有不對稱性。隨著縱梁跨度的增大,內(nèi)力和變形都相應(yīng)增大。

4)與原方案相比,組合結(jié)構(gòu)方案能夠緩解混凝土板應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大主應(yīng)力由34.3 MPa降為22.8 MPa,并且明顯優(yōu)化了大跨縱梁和橫梁的受力,軸力、剪力、扭矩減小,彎矩分布更合理。

5)縱梁和結(jié)構(gòu)柱是結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的受力部位,均處于復(fù)合受力狀態(tài),是換乘節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)。