1、与桥梁同期同位合建的地铁车站结构设计与受力分析 摘 要：以上海某地铁车站与规划道路桥梁同期同位合建为例，探讨与桥梁合建的车站结构设计方案，对桥梁段地铁车站在不同工况下的抗浮进行了验算，提出了车站抗浮不但要考虑地下墙摩阻力，还要另外设置抗拔桩，然后采用空间计算模型对桥梁段车站结构进行有限元计算，结果表明车站顶板、底板受力比较复杂，承受双向弯矩，需按双向板进行配筋，桥梁范围内的框架柱轴力较大，桥墩下的横梁弯矩较大，结构设计时均需采用合理的处理措施，可以为相似工程提供借鉴。 关键词：地铁车站；桥梁；合建结构；结构设计；受力分析 引言 城市轨道交通是城市重要基础设施和重大民生工程，对于提升城市公共交通
2、服务能力、引导优化城市空间布局、实现城市可持续发展以及稳增长、惠民生意义重大。近年来，我国城市轨道交通投资增长迅速，建设速度持续加快，建设规模持续增长。由于交通线路受城市既有周边建筑环境的影响，许多新建地铁工程难免与周边建筑物、市政工程在平面上、立面上发生冲突。这就需要轨道交通与城镇空间充分融合，尽量实现轨道交通规划与城市总体规划、土地规划的同步编制，采用“多规合一”的办法来破解不同规划间的冲突问题，让轨道交通基础设施服务效应能够与城市发展服务需求紧密结合到一起。为了更好地利用城市空间，提供工程的可靠性，降低工程造价，地铁工程与周边建筑合建的案例越来越多，如地铁与地上、地下商业开发的合建、地铁
3、与火车站的合建、地铁与高架桥梁的合建1等等。在以往的工程中，合建多是功能合建，结构体系各自独立，结构受力分析模型相对比较简单。文章以上海市轨道交通13号线二期工程某地铁车站与规划道路桥梁同期同位合建为例，探讨与桥梁合建的车站结构设计方案，并采用空间有限元模型，分析与桥梁同期同位合建的地铁车站受力情况，所得计算结果为地铁结构设计提供数值基础和分析依据。 1 工程概况 我位于交叉路口下，为地下二层岛式站台车站，预留其他线路换乘施工条件，站后设有双停车折返线，车站按双柱三跨框架结构设计。车站主体结构总长491.0m，标准段宽21.7m，顶板覆土约3.0m。车站站后停车线下穿宽度为30m的横沔港河道，
4、河道上现存宽度为7.0m的现状桥梁，车站南侧为幼儿园和商铺，北侧为市民中心广场和油库，车站与河道总平面图如图1所示。 车站实施期间需对横沔港河进行断流，在车站两侧约30m处的河道范围设置围堰，围堰与车站范围进行粘土回填，并压实处理，同时作为施工便道及施工场地。车站采用明挖法施工。 2 工程地质条件 根据勘察地质报告2，我拟建场地土层从上至下主要为：1层杂填土；2层浜底淤泥，仅分布于明浜之中；层灰黄色粉质粘土， 含氧化铁锈斑，夹薄层粉性土，干强度、韧性中等，在暗浜附近变薄或缺失；层灰色淤泥质粉质粘土，含云母、有机质，夹薄层粉性土，局部粉性较重，干强度、韧性中等；层灰色淤泥质粘土，含有机质，偶夹薄
5、层粉性土，干强度、韧性高；1灰色粘土，含有机质，偶夹薄层粉性土，干强度、韧性高；3-1灰色粉质粘土夹粘质粉土，云母、有机质，夹粘质粉土，干强度、韧性中等低；3t灰色粉质粘土夹粘质粉土，含云母、有机质，夹粘质粉土，干强度、韧性中等低；4灰绿色粉质粘土，含氧化铁锈斑，局部粉性较重，干强度、韧性中等；1灰绿灰色粉砂，主要由石英、长石、云母组成，夹薄层粘性土；2灰绿灰色粉砂，主要由石英、长石、云母组成，夹薄层粘性土。车站标准段底板所在的土层主要为层灰色淤泥质粘土。 站址地下水类型主要为潜水、微承压水和承压水。潜水主要赋存于1杂填土中，稳定水位埋深在0.71.8m之间。微承压水主要赋存于3t层粉质粘土夹
6、粘质粉土层中，稳定水位埋深在4.314.37m之间。承压水主要赋存于2灰绿灰色粉砂中，稳定水位埋深在5.035.52m之间。 3 与桥梁合建的地铁车站结构设计 由于车站位于道路下方，穿越河道时需与规划道路合建，结合地下车站与桥梁的关系及结构特点，考虑到安全、经济及工期等影响，经过综合比选，我推荐采用地铁车站和桥梁结构同期同位合建的结构体系。根据桥梁专业提资，本桥为三孔斜交混凝土简支梁桥，跨径分别为8m、30m、13m，桥梁宽度为24.6m，桥梁下部结构采用墩墙结构。车站结构顶板上需设置横梁，作为桥梁墩墙的基础，车站顶板与桥梁墩墙整体浇筑。车站与桥梁剖面关系如图2。 桥梁两端的桥台搁置在车站侧墙
7、上，桥墩搁置在车站横梁上，桥梁上部结构荷载分别通过桥台和桥墩传递给车站侧墙和横梁，然后通过侧墙和横梁下的框架柱传递到车站底板。为了保证上部荷载传力路径清晰明确，底板设置与顶横梁方向一致的底横梁。车站底板下设置桩基础，桩基础在车站建成之后、桥梁建成之前主要承受抗拔作用，桥梁建成之后主要承受抗压作用。 根据工程所处的地质条件，同时借鉴上海同类工程经验，我基坑围护采用地下连续墙加内支撑结构体系，墙体的结合方式为叠合式构造。 4 与桥梁合建的地铁车站抗浮设计 地铁车站埋置于地下，根据地勘资料，车站箱体位于地下水位以下，车站结构设计时必须考虑抗浮措施，抗浮问题处理是否得当直接影响着地铁车站正常使用期的可
8、靠度。在验算结构抗浮稳定性时，对浮力、抗浮力的计算及抗浮安全系数的取值均需谨慎。抗浮力是随施工过程及使用阶段不断变化的。因此结构设计应按最不利情况进行抗浮稳定性验算3。 对于式（1），根据GB50009-2012建筑结构荷载规范第3.2.4条，当永久荷载效应对结构有利时，荷载分项系数取值不应大于1.0，这里取1.0。 抗浮安全系数K=R/S，根据上海市工程建设规范DGJ08-109-2004城市轨道交通设计规范410.5.1.8条规定，抗浮安全系数当不考虑侧墙与土体摩阻力时为1.05，考虑摩阻力时为1.1。 与桥梁合建的车站结构抗浮稳定性验算主要包括桥梁建成前和桥梁建成后两种工况。抗浮计算时选
9、取2433轴之间的车站进行整体验算。 桥梁建成前，该区域结构顶板上部无任何附加荷载，仅仅依靠车站结构自重及桥台两侧外的覆土提供抗浮，经验算，抗浮安全系数为K=R/S=86571KN/193760KN=0.45 桥梁建成后，该区域结构顶板上部具有桥梁自重和回填土等荷载，桩基础必须保证具有足够的承载力，根据文献5，桩的数量应以落在地铁车站结构顶板的桥墩荷载确定，即下部群桩承载力总和与桥墩荷载相当。桥梁专业对桥台、桥墩传递的荷载值提资如表1。 单根钻孔桩能提供的抗压特征值为2800KN，桥台和桥墩长度均为23.6m，根据计算，需设置21根桩方可满足承载要求。 综上所述，为了满足不同工况下的承载力要求
10、，与桥梁合建的该区域车站结构底板需设置30根桩基础。 5 与桥梁合建的地铁车站受力分析 上部桥梁墩台的集中力使地铁车站结构沿纵向的受力复杂化，位于桥梁下部的地铁车站主体结构不再属于规则的细长结构，单一的横断段受力计算分析已经不能满足结构内力分析需求，因此有必要对地铁车站结构进行整体建模分析1。 5.1 计算模型 结构计算模型采用目前我国广泛采用的荷载-结构模型6。 建模采取空间有限单元法，以车站纵向为X轴，车站横向为Y轴，车站竖向为Z轴，坐标轴方向满足右手准则。计算模型根据框架结构尺寸按中心线确定，底板支撑在弹性地基上。位置相同的板、墙、梁、柱节点视为同一节点来反映结构的共同作用变形。有限元模
11、型中板、墙结构采用壳单元进行模拟，梁、柱结构采用梁单元进行模拟。桩基础采取桩体弹簧模型7，平均弹簧刚度k=EA/l，式中l为桩长。 考虑到车站桥梁段结构与标准段结构之间的影响，计算模型为桥梁段结构和左右各一跨标准段结构。有限元边界条件主要简化如下：（1）结构底板支撑在弹性地基上；（2）标准段结构边界处施加纵向的位移约束。 5.2 计算荷载 在结构的施工期和使用期，主要荷载有：结构自重、覆土压力、水浮力、水土侧压力、地面超载和桥梁荷载等。 （1）结构自重SG1K：混凝土重度均取25KN/m3。 （2）覆土压力SG2K：按计算截面以上全部土柱重量作为垂直荷载。 （3）水浮力S3K：抗浮设防水位取地
12、表以下0.5m。 （4）水土侧压力SG4K：粘性土地层的侧向水、土压力，在施工阶段采用水土合算，使用阶段采用水土分算。砂性土地层的侧向水、土压力无论施工阶段还是使用阶段均采用水土分算。 （5）地面超载SQ1K：地面超载按20KN/m3计算。 （6）桥梁荷载SSQK：桥梁荷载见表1。 5.3 计算工况 桥梁段车站结构从浇筑底板开始，到车站结构施工完成和桥梁施工完成，整个过程结构受力体系、荷载形式等均有较大的变化，限于篇幅，文章仅对车站结构在桥梁建成后正常使用状态下的工况进行受力分析。正常使用时的荷载组合为：Sd2=SS1K+SS2K+SS3K+SS4K+SS5K+SSQK。 5.4 计算结果及分
13、析 文章采用有限元分析软件Robot Structural Analysis Professional 2009对与桥梁同期同位合建的地铁车站进行空间三维计算。 5.4.1 车站顶板内力计算结果及分析 由图3图4可以看出，车站顶板在桥梁建成后产生的弯矩较大，顶板竖向最大负弯矩Mx为1325.5 KNm，位于顶板与侧墙交接处，顶板纵梁处竖向负弯矩Mx最大为1312.93 KNm；竖向最大正弯矩Mx为889.86KNm，位于顶板跨中。顶板水平向最大负弯矩My为1230.18KNm，位于顶板与左侧墙交接处；水平向最大正弯矩My为365.61KNm，位于顶板跨中。顶板水平向弯矩在横梁和框架柱附近为负弯
14、矩，由于结构梁、柱体系的不规则性，结构的内力计算结果也呈现不规则性，尤其是结构水平向内力值，所以顶板配筋时应加大水平分布筋，宜按双向板进行配筋，使之能满足正负弯矩需要。 5.4.2 车站底板内力计算结果及分析 由图5图6可以看出，正常使用状态下车站底板底板竖向最大负弯矩Mx为1977.10KNm，位于底板与侧墙交接处，顶板纵梁处竖向负弯矩Mx最大为1365.74KNm；竖向最大正弯矩My为1197.19KNm，位于底板跨中。底板水平向最大负弯矩My为1536.83KNm，位于底板横梁处；水平向最大正弯矩My为502.96KNm，位于底板跨中。此区域底板承受双向弯矩，应按双向板进行配筋。 5.4
15、.3 框架柱、梁计算结果及分析 桥梁建成后正常使用状态下桥梁墩台范围车站框架柱的轴力计算结果如图7。 由图7可以看出，车站框架柱轴力最大为13475.32KN，位于桥梁2号桥墩下。初步设计时该处框架柱截面尺寸为700mm1400mm，混凝土强度等级采用C50，经计算，此处框架柱在荷载基本组合下的轴压比为0.88。为了使桥梁段框架柱轴压比满足GB 50010-2010混凝土结构设计规范11.4.6条的要求，应对框架柱采取优化设计，主要采用了以下措施： （1）增大框架柱的截面尺寸，在车站28轴32轴底板和顶板之间的纵梁处增加400mm厚内隔墙。 （2）沿柱全高采用井字复合箍，且箍筋间距不大于100
16、mm、肢距不大于200mm、直径小于12mm。 车站梁、柱布置体系中，1号桥墩处顶横梁荷载通过三根框架柱传递荷载，2号桥墩处顶横梁通过两根框架柱传递荷载，所以2号桥墩处的横梁受力较大，弯矩值如图8所示。 由图看出，顶横梁跨中最大正弯矩为13116.05 KNm，纵梁支座处最大负弯矩为8357.57 KNm，最大正弯矩是最大负弯矩的1.57倍。由于顶横梁直接承担桥墩荷载，所以内力值较大。 6 结束语 通过与桥梁同期同位合建地铁车站的结构设计及计算分析，可以得到以下几点结论： （1）本工程突破了桥梁车站合建中建筑功能融合但结构受力需各自独立的禁锢，车站与桥梁融为一体，避免了桥梁基础穿越车站影响建筑
17、功能，增强了车站的整体稳定性，提高了结构的受力性能，对地铁车站设计具有一定的借鉴意义。 （2）上部桥梁的桥台、桥墩与车站顶板上的侧墙、横梁固结，将荷载传递到车站底板及其下部桩基础，保证了荷载的传力途径及结构整体的受力安全。 （3）底板下桩基础的设置要综合考虑，不但要考虑车站在施工期与使用期各种不利工况下的抗浮要求，而且还要考虑桥梁荷载的大小及荷载的传递路径。 （4）桥梁段车站梁、柱结构体系布置不规则，受力复杂，空间效应明显，顶、底板受力比较复杂，承受双向弯矩，应按双向板进行配筋。顶横梁直接承担桥墩荷载，内力值较大，截面设计和配筋需满足结构的受力要求。 （5）桥梁段的车站框架柱轴力计算值较大，设
18、计时需采用适当的处理措施，通常的做法是增大柱截面面积和沿柱全高采用井字复合箍，且箍筋间距和肢距满足相关规范要求。 （6）桥梁段的车站结构设计需结合考虑结构在最不利荷载工况下的受力分析，下阶段应对结构的抗震性能进行计算分析。 参考文献 1赵月.与市政桥梁合建的地铁车站结构设计以厦门地铁吕厝站为例J.隧道建设，2015，35（5）：439-442. 2上海市民防地基勘察院有限公司.上海市轨道交通13号线二期工程（六里张江）岩土工程勘察（初勘）报告R.2009. 3中华人民共和国住房与城乡建设部.GB501570-2013.地铁设计规范S.北京：中国建筑出版社，2013：95. 4上海市建设管理委员会.DGJ08-109-2004.城市轨道交通设计规范S.上海市建筑建材业市场管理总站，2003：72. 5杨家熙.地铁明挖车站与高架桥同期同位合建关键技术研究D.西南交通大学，2015，16. 6张卫国，张伟，姜韦华.地下工程结构计算方法概述J.地下空间，2002，22（3）：197-199. 7李兰勇，何英雷，何培勇，等.地下结构抗浮设计中抗拔桩的简化模型及应用J.科学技术与工程，2012，12（14）：3528-3531. 作者简介：班自愿（1982-），男，河南扶沟人，硕士，工程师，主要从事地下结构设计与研究工作。第 11 页 共 11 页
