孫天榮

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 200070, 上海)

目前,上海市軌道交通4號(hào)線與3號(hào)線在共線的寶山路站采用簡易接軌方式的連接,其進(jìn)站方向均未設(shè)置安全線。在3/4號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)改造完成后,行車對(duì)數(shù)將增加,寶山路站的站前簡易接軌將成為3/4號(hào)線的主要安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。對(duì)此,寶山路站接軌改造工程將4號(hào)線外圈寶山路站站前接軌改為站后接軌,并在寶山路站北側(cè)增加一股道作為4號(hào)線外圈線,以消除安全隱患。對(duì)此,寶山路站車站結(jié)構(gòu)需進(jìn)行改造加固。本文將以上海市軌道交通3/4號(hào)線寶山路站接軌改造工程中的車站結(jié)構(gòu)改造(以下簡稱“寶山路站改造工程”)為對(duì)象,整理改造設(shè)計(jì)中遇到的主要問題、處理方法、既有結(jié)構(gòu)的自適性設(shè)計(jì)和對(duì)運(yùn)營的影響控制,以期為類似的項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

既有寶山路站為路側(cè)高架三層標(biāo)準(zhǔn)側(cè)式站,下跨鐵路客車技術(shù)整備站,其主體北側(cè)設(shè)有4層附屬用房。寶山路站位置及接軌改造方案示意圖如圖1所示。

圖1 寶山路站接軌改造方案示意圖

寶山路站改造前的斷面如圖2所示。改造前,站臺(tái)總長度為150.0 m,有效站臺(tái)長度為140.0 m,北側(cè)站臺(tái)寬度約為7.5 m,側(cè)站臺(tái)寬度為2.8 m。南側(cè)站臺(tái)寬度約6.5 m,側(cè)站臺(tái)寬2.2 m。寶山路站改造前的照片如圖3所示。

圖2 寶山路站改造前斷面示意圖

圖3 寶山路站改造前照片

根據(jù)改造方案,寶山路站結(jié)構(gòu)有較大調(diào)整:北側(cè)既有7.5 m寬側(cè)式站臺(tái)向北擴(kuò)建4.5 m,并改造為島式站臺(tái)。改造后的島式站臺(tái)總寬度為12.0 m;南側(cè)站臺(tái)拆除既有3部樓梯后封閉樓梯開洞,將既有2.2 m寬側(cè)站臺(tái)拓寬至3.8 m,并縱向增加樓扶梯;站廳層公共區(qū)優(yōu)化為兩端進(jìn)站、中間出站、非付費(fèi)區(qū)聯(lián)通模式。此外,寶山路站改造工程還包含更換既有屋面彩鋼板、車站北側(cè)新增拱形鋼結(jié)構(gòu)屋架、外立面重新裝修、車站北側(cè)增加3號(hào)出入口等改造內(nèi)容。寶山路站改造后斷面示意圖如圖4所示,改造后效果如圖5所示。

圖4 寶山路站改造后斷面示意圖

圖5 寶山路站改造后效果圖

寶山路站改造工程通過車站結(jié)構(gòu)內(nèi)部增加橋梁結(jié)構(gòu)(樁基承臺(tái)、墩柱及軌道箱梁),既滿足了增加股道的要求,又實(shí)現(xiàn)了橋梁與既有車站的完全脫離,各自獨(dú)立計(jì)算、設(shè)計(jì),避免了建橋合一引起豎向荷載大增,進(jìn)而導(dǎo)致既有基礎(chǔ)承載力不足和設(shè)計(jì)難度增加。

2 寶山路站的結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)

寶山路站改造工程與其他已完成的既有高架車站改造工程相比,具有內(nèi)容多、范圍大、難度高的特點(diǎn),是對(duì)運(yùn)營車站大型改造的嘗試和探索。

2.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)DGJ 08-81—2021《現(xiàn)有建筑抗震鑒定與加固標(biāo)準(zhǔn)》[1],寶山路站改造工程應(yīng)按照B類建筑進(jìn)行鑒定和加固:后續(xù)使用年限為40年;地震力作用折減系數(shù)為0.9;寶山路站改造工程安全等級(jí)一級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1,設(shè)防分類屬重點(diǎn)設(shè)防類(簡稱乙類),結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度(地震動(dòng)加速度為0.10g,g為重力加速度),設(shè)計(jì)分組為第二組,特征周期Tg=0.9 s;寶山路站改造工程場地類別為Ⅳ類,抗震等級(jí)為二級(jí),抗震構(gòu)造措施應(yīng)滿足抗震烈度8度的相關(guān)要求。地基基礎(chǔ)安全等級(jí)為一級(jí),設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。新增基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。恒載的分項(xiàng)系數(shù)取1.3、活載分項(xiàng)系數(shù)取1.5,網(wǎng)架屋面風(fēng)壓采用100年一遇的基本風(fēng)壓等級(jí)。

2.2 結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)

2.2.1 建模計(jì)算及結(jié)構(gòu)加固

根據(jù)設(shè)計(jì)原則、原結(jié)構(gòu)截面、材料強(qiáng)度和改造后的建筑布置,進(jìn)行建模,并計(jì)算分析。采用PKPM軟件建立寶山路站主體框架模型,如圖6所示。采用SAP軟件建立新建鋼屋蓋模型,如圖7所示。將計(jì)算結(jié)果和既有結(jié)構(gòu)的竣工圖比對(duì)發(fā)現(xiàn),寶山路站既有混凝土構(gòu)件存在較多配筋不足的情況,且個(gè)別位置截面尺寸不足無法補(bǔ)充配筋。針對(duì)以上情況,按照鑒定報(bào)告的建議確定加固總體方案:對(duì)原設(shè)計(jì)強(qiáng)度與現(xiàn)計(jì)算結(jié)果差別較小的構(gòu)件,采用碳纖維加固法;對(duì)原設(shè)計(jì)強(qiáng)度與現(xiàn)計(jì)算結(jié)果差別較大的構(gòu)件,采用粘鋼加固法;對(duì)截面不足的構(gòu)件,采用加大截面法;對(duì)底層柱,采用外包粘鋼加固法。

圖6 采用PKPM軟件構(gòu)建的寶山路站主體框架模型

圖7 SAP軟件構(gòu)建的新建鋼屋蓋模型

2.2.2 不規(guī)則判定及性能化設(shè)計(jì)

改造后的車站結(jié)構(gòu)在考慮偶然偏心影響的地震作用下,層間位移最大值大于層間位移平均值的1.2倍,但小于1.4倍。根據(jù)文獻(xiàn)[2]的規(guī)定,這將形成扭轉(zhuǎn)不規(guī)則;首層存在夾層,導(dǎo)致樓板不連續(xù);首層剛度比不滿足相鄰層剛度變化大于70%或連續(xù)三層變化大于80%,形成豎向剛度突變。根據(jù)文獻(xiàn)[2-4],寶山路改造工程的結(jié)構(gòu)屬于不規(guī)則結(jié)構(gòu),需進(jìn)行超限多層性能化設(shè)計(jì)。

綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)的重要程度、受力特點(diǎn)、加固措施、震后破壞的影響和修復(fù)難易程度等因素,設(shè)計(jì)方、超限評(píng)審專家和建設(shè)方共同確定結(jié)構(gòu)的整體抗震性能目標(biāo)為D級(jí),即在多遇多震、設(shè)防地震及預(yù)估的罕遇地震下,結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)分別為1、4、5(其中關(guān)鍵構(gòu)件為首層、穿層框架柱和軌道梁,普通豎向構(gòu)件為其他框架柱,耗能構(gòu)件為框架梁)。地震荷載參數(shù)取值見表1。

表1 地震荷載參數(shù)

彈性時(shí)程分析采用2組人工波和5組天然波作為地震波輸入,計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)(剪力和位移)與反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果比較接近,故而在施工圖設(shè)計(jì)時(shí),地震作用不需要放大。

靜力彈塑性時(shí)程分析的推覆方式采用CQC(完全二次項(xiàng)組合方法)加載模式。計(jì)算結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)存在性能點(diǎn)(需求曲線與能力曲線的交點(diǎn)),最大層間位移角均小于1/50;框架柱在性能點(diǎn)位置底部樓層出現(xiàn)輕微損傷,滿足預(yù)定的性能目標(biāo);軌道梁在大震下出現(xiàn)輕微損傷,未達(dá)到未達(dá)到中度損壞,滿足預(yù)定的性能目標(biāo);能力曲線仍有上升趨勢(shì),表明結(jié)構(gòu)經(jīng)歷大震后仍有一定的承載能力;性能點(diǎn)下基底剪力為小震基底剪力的4.5～5.5倍,說明結(jié)構(gòu)剛度未出現(xiàn)嚴(yán)重退化。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,車站結(jié)構(gòu)采用碳纖維、粘鋼、包鋼和加大截面等方法加固后,其抗震性能可以滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

2.3 自適性結(jié)構(gòu)加固方案

2.3.1 橋梁基礎(chǔ)和基坑方案

在車站范圍內(nèi),9個(gè)橋梁墩柱均落在車站北側(cè)附跨的跨中(車站各層樓板開洞,不破壞主框架),并與附跨結(jié)構(gòu)之間設(shè)置寬度為200 mm的抗震縫。軌道箱梁落于墩柱之上,并跨越既有車站結(jié)構(gòu)。

橋梁基礎(chǔ)采用承臺(tái)+非擠土鉆孔灌注樁的形式,避開既有車站基礎(chǔ)。橋梁基礎(chǔ)與車站基礎(chǔ)之間的關(guān)系如圖8所示。既有車站結(jié)構(gòu)局部原有的地下室電纜夾層,在改造后仍需服役。橋梁基礎(chǔ)施工時(shí),須破除地下室底板,設(shè)置永久施工縫。如圖9所示,橋梁承臺(tái)與地下室底板的永久施工縫采用W型氯丁橡膠防水密封件和環(huán)氧粘合劑填實(shí)。該密封件為柔性防水,具有一定的變形能力,可以解決地下室新老結(jié)構(gòu)之間的漏水問題。

圖8 橋梁基礎(chǔ)與車站基礎(chǔ)之間的關(guān)系

圖9 橋梁承臺(tái)與地下室底板的永久施工縫細(xì)部構(gòu)造

橋梁承臺(tái)施工時(shí),需要在車站內(nèi)部開挖2.81～4.18 m深的基坑。該基坑與既有車站基礎(chǔ)的水平距離為1倍坑深范圍內(nèi),根據(jù)DG/TJ 08-61—2018《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]規(guī)定,基坑本體風(fēng)險(xiǎn)為三級(jí),環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為一級(jí),綜合工程風(fēng)險(xiǎn)為一級(jí)?；诖?寶山路站改造工程采用拉森Ⅳ型鋼板樁進(jìn)行支護(hù),樁長12 m,插入比1∶1.87,坑內(nèi)采用自然集中排水,并采用Plaxis 3D軟件來模擬基坑開挖和鋼板樁支護(hù)對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)的影響。模擬得到車站結(jié)構(gòu)豎向變形云圖,如圖10所示。結(jié)果表明基坑臨近車站結(jié)構(gòu)柱子豎向位移僅為0.51 mm。

圖10 車站結(jié)構(gòu)豎向變形云圖

2.3.2 寶山路站南側(cè)新增扶梯改造

在建筑南側(cè)站臺(tái)上增設(shè)了連接站臺(tái)層和站廳層的自動(dòng)扶梯,以加強(qiáng)日常豎向交通運(yùn)輸能力和消防疏散能力。新增扶梯剖面圖如圖11所示。

圖11 新增扶梯剖面圖

扶梯安裝位置受圖11中3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的制約。根據(jù)扶梯專業(yè)人員的調(diào)研,選用了市面上厚度最小的扶梯桁架,將扶梯左右移動(dòng)進(jìn)行試布置,結(jié)果顯示必須從軌道梁和站廳層框架梁中選其一進(jìn)行部分鑿除截?cái)?。軌道梁和站廳層框架梁均為框架結(jié)構(gòu)的重要組成部分。其中軌道梁還承受軌道荷載,故其重要性高于只承受人流荷載的站廳層框架梁。一旦將軌道梁破壞,即使加固也無法保證其在車輛疲勞荷載作用下的安全使用性能。由此可知,在別無選擇的情況下,只能選擇鑿除部分站廳層框架梁。此外,站廳層框架梁正下方為客車技術(shù)整備站股道,無法落柱托換,最終提出采用Z型加固節(jié)點(diǎn)。寶山路站站廳層Z型加固節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造圖如圖12所示。

a) 站廳層Z型加固節(jié)點(diǎn)

由圖12 b)可見:1-1截面處,原梁截面為600 mm×1 000 mm,改造后梁截面為850 mm×1 200 mm,改造后梁頂標(biāo)高下降700 mm;將原梁下部的17根φ25 mm三級(jí)鋼筋作為Z型加固節(jié)點(diǎn)的上部鋼筋,并在原梁截面兩側(cè)新植入4根φ25 mm三級(jí)鋼筋作為加強(qiáng)縱筋;Z型加固節(jié)點(diǎn)下部鋼筋14根φ25 mm鋼筋及4根φ16 mm腰筋全部植入框柱,箍筋是4排間距為100 mm的φ12 mm鋼筋;在節(jié)點(diǎn)下方設(shè)置支托角鋼和加強(qiáng)箍板,作為第二道防線。

由圖12 c)可見:2-2截面處采用外包加大梁截面法改造;2-2截面與1-1截面的下部鋼筋布置一致;由于上部鋼筋占用,建筑面層增加100 mm厚度;采用上下2個(gè)U形箍筋穿通樓板后焊接;拉筋植筋固定于原梁側(cè)面,拉結(jié)箍筋和腰筋。2-2截面處施工前,相鄰兩跨框架范圍須設(shè)置滿堂腳手架支撐,加固完成后,混凝土強(qiáng)度須達(dá)到100%后方可拆除支撐。

2.3.3 寶山路站北側(cè)新增鋼結(jié)構(gòu)屋架改造

寶山路站北側(cè)新增拱形鋼結(jié)構(gòu)屋架,按車站現(xiàn)有縱向的柱跨度(10 m),每2跨(即20 m)設(shè)置1個(gè)支座,并與既有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)共用一排框架柱。因既有網(wǎng)架支座預(yù)埋板已將柱頭占滿,故只能將新增鋼屋架支座設(shè)置在框架柱的兩側(cè),并通過植筋增設(shè)兩個(gè)牛腿,進(jìn)而完成預(yù)埋支座。

既有網(wǎng)架和新增鋼結(jié)構(gòu)屋架均為空間結(jié)構(gòu),兩者在空間上存在穿插。本文采用SketchUp軟件建立模型,在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行碰撞測(cè)試,進(jìn)而確定拱形高度和彎曲程度,從而保證建筑美觀和施工可行性。SketchUp模型桿件碰撞測(cè)試情況截圖如圖13所示。由圖13可見,圈出部位的新增鋼結(jié)構(gòu)屋架的拱形方鋼管已與既有網(wǎng)架的上弦桿發(fā)生了碰撞,應(yīng)對(duì)新增鋼結(jié)構(gòu)拱形屋架進(jìn)行調(diào)整。

圖13 桿件碰撞測(cè)試情況截圖

2.3.4 既有網(wǎng)架桿件失穩(wěn)問題

按照本工程設(shè)計(jì)原則采用3D3S鋼結(jié)構(gòu)-空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)既有網(wǎng)架建模計(jì)算,結(jié)果表明原網(wǎng)架結(jié)構(gòu)個(gè)別支座附近的下弦桿存在受壓失穩(wěn),需增大截面。據(jù)分析,這是受本文的荷載分項(xiàng)系數(shù)和基本風(fēng)壓取值較高的影響。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。若要拆除原桿件,則須卸載,將受力狀態(tài)恢復(fù)至吊裝前,否則將無法順利將原桿件旋出。若在不卸載狀態(tài)下強(qiáng)行拆除原桿件,則對(duì)整體網(wǎng)架應(yīng)力分布影響較大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成整片網(wǎng)架坍塌。

對(duì)此,寶山路站改造工程采用了外包鋼管并注膠的方案來提高失穩(wěn)弦桿的截面慣性矩,進(jìn)而降低其長細(xì)比。失穩(wěn)桿件處理方案示意圖如圖14所示。原桿件公稱直徑為60 mm,壁厚為3.5 mm;外包鋼管公稱直徑為83 mm,壁厚為6.5 mm。外包鋼管由兩個(gè)半圓管拼合,采用對(duì)稱并間斷焊接(減少殘余應(yīng)力),外包鋼管端部與螺栓球焊接堵漏,并在兩端和中部預(yù)留的注膠孔中由下往上灌滿環(huán)氧注膠。外包鋼管并注膠的方案既能解決既有網(wǎng)架下弦桿失穩(wěn)的問題,又能避免網(wǎng)架單桿的拆卸更換。

圖14 失穩(wěn)桿件處理方案

3 改造對(duì)車站運(yùn)營的影響控制

地鐵運(yùn)營部門要求寶山路站在改造期間保持正常運(yùn)營,僅在區(qū)間箱梁吊裝并接軌時(shí)停運(yùn)7 d左右(春節(jié)假期內(nèi))。寶山路站改造工程的改造內(nèi)容多、范圍大,且無法封閉施工,對(duì)施工組織是很大的挑戰(zhàn)。

3.1 更換既有屋蓋的屋面板

更換既有屋蓋的屋面板時(shí),應(yīng)保證新屋面恒載不大于原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)恒載。對(duì)此,須與新屋面廠家做好設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)工作,落實(shí)荷載、采光、防水等設(shè)計(jì)措施。屋面更換時(shí)間為天窗期(非運(yùn)營時(shí)間),需每日請(qǐng)點(diǎn)施工。每日施工前,應(yīng)做好本次施工內(nèi)容計(jì)劃,做好吊裝、安裝和防護(hù)準(zhǔn)備工作,確保本次施工內(nèi)容可以在請(qǐng)點(diǎn)時(shí)間內(nèi)按時(shí)完成,不可產(chǎn)生臨時(shí)工程,留下隱患。每日對(duì)工區(qū)的接觸網(wǎng)、軌道和站臺(tái)做好施工中的觀察和施工后的檢查,以確保次日車站的正常運(yùn)營。

3.2 車站結(jié)構(gòu)的拆除和加固施工

車站結(jié)構(gòu)的拆除和加固部位主要位于附跨、站廳和站臺(tái)位置。

附跨處拆除和加固的施工條件較好,其施工不會(huì)影響車站的運(yùn)營。在該部位實(shí)施拆除和加固前,應(yīng)對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)做好有效支撐,對(duì)既有管線做好排摸和保護(hù)。

站廳和站臺(tái)處的拆除和加固對(duì)車站運(yùn)營影響較大。在該部位實(shí)施拆除和加固前,除了做好結(jié)構(gòu)有效支撐及摸排保護(hù)管線外,還應(yīng)做好工區(qū)隔離,以及冷卻水的導(dǎo)流、收集和排出工作。在車站內(nèi)部無法使用大型吊機(jī),拆除時(shí)切割塊體應(yīng)盡量小,并采用人工外運(yùn)。

寶山路站改造工程在施工期間需保證車站正常運(yùn)營。聯(lián)合建筑、結(jié)構(gòu)、施工及車站運(yùn)營、維保部門共同協(xié)商后確定,采用分階段實(shí)施的方法。寶山路站改造工程分階段施工區(qū)域示意圖如圖15所示。按階段逐次圍蔽施工區(qū)域,未圍蔽區(qū)域中的站廳、站臺(tái)、豎向通道和出入口足以保證車站的正常運(yùn)營。

圖15 寶山路站改造工程分階段施工區(qū)域示意圖

3個(gè)階段施工完成后,再臨時(shí)封閉3號(hào)口,完成車站區(qū)域內(nèi)橋梁吊裝、新建鋼結(jié)構(gòu)屋架吊裝等車站北側(cè)剩余工程。

4 結(jié)語

本文對(duì)上海市軌道交通3/4號(hào)線寶山路站開展結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)研究,探索了既有高架車站結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)的原則和方法,對(duì)設(shè)計(jì)過程中遇到的問題提出了可實(shí)施的解決方法,并對(duì)施工期間造成的運(yùn)營影響和分階段實(shí)施方案進(jìn)行了分析,確保地鐵不間斷運(yùn)營。

由寶山路站改造工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),本文對(duì)運(yùn)營車站的改造項(xiàng)目提出如下建議:

1) 結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)在車站改造的方案階段就深度介入,并相對(duì)其他專業(yè)要提前一個(gè)階段進(jìn)行深化設(shè)計(jì),這樣才能做到方案切實(shí)可行。

2) 大型改造項(xiàng)目可參考本文所提設(shè)計(jì)原則,確定改造方法和自適性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,開展結(jié)構(gòu)改造加固,加強(qiáng)竣工圖研讀和現(xiàn)場踏勘,做到因地制宜。

3) 運(yùn)營車站改造項(xiàng)目須評(píng)估改造施工對(duì)車站運(yùn)營的影響。設(shè)計(jì)方應(yīng)會(huì)同運(yùn)營方、維保方及施工方共同確定分區(qū)施工方案,以確保施工期間車站的正常運(yùn)營。

部分上海軌道交通既有線已服役30余年,其運(yùn)力和技術(shù)上都到了亟需提升的階段。類似提質(zhì)增效的改造項(xiàng)目會(huì)越來越多,本文可為類似項(xiàng)目提供借鑒。