北京地区无柱大跨岛式车站结构体系研究.pdf

年 月第 卷第 期?年 月第 卷第 期中 文 引 用 格 式：孙 立 柱，薛 茹 镜北 京 地 区 无 柱 大 跨 岛 式 车 站 结 构 体 系 研 究 特 种 结 构，（）：英 文 引 用 格 式：，（）：北 京 地 区 无 柱 大 跨 岛 式 车 站 结 构 体 系 研 究孙 立 柱薛 茹 镜北 京 市 市 政 工 程 设 计 研 究 总 院 有 限 公 司 摘 要：本 文 在 案 例 调 研 的 基 础 上，筛 选 出 可 用 于 北 京 地 区 无 柱 车 站 的 变 截 面 板、井 字 梁、混 凝 土 刚 接桁 架、预 应 力、劲 性 混 凝 土、拱 形 板 等种 体 系。针 对种 体 系 无 柱 车 站 进 行 内 力 分 析，结 合 各 体 系典 型 特 点 给 出 合 理 指 标 参 数，并 从 受 力 和 经 济 对 比 角 度 对 各 体 系 进 行 排 序。此 外 针 对 中 板 方 案 进 行 了专 门 研 究，为 相 关 工 程 提 供 一 定 技 术 支 持。关 键 词：无 柱 大 跨结 构 体 系井 字 梁预 应 力劲 性 混 凝 土：牞 牞 牞 牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 引 言为 尽 可 能 使 公 共 区 开 阔、宽 敞、视 角 效 果佳、使 用 方 便，不 少 地 下 车 站 采 用 了 无 柱 结 构 型式。在 车 站 受 周 边 环 境 条 件 限 制 时，无 柱 可 减 小车 站 宽 度，有 利 于 车 站 布 置，同 时 可 减 小 线 间距，减 小 车 站 规 模。为 此，相 关 学 者 进 行 了 大 量的 研 究。农 兴 中等 针 对 大 跨 无 柱 地 铁 车 站 的 建筑 特 点 及 结 构 选 型 进 行 了 探 讨，提 出 公 共 区 内 不设 柱 且 跨 度 较 大 的 无 柱 地 铁 车 站 的 结 构 型 式 一 般宜 为 岛 式 双 层 地 下 车 站。杨 成 蛟，以 拱 形 体 系为 研 究 对 象，分 析 了 该 体 系 的 特 点 并 给 出 了站 台 及站 台 的 建 筑 布 置。余 玉 琴通 过 理 论分 析 和 数 值 模 拟 等 方 法，对 变 截 面 顶 板 和 拱 形 顶板 两 种 不 同 结 构 型 式 的 大 跨 无 柱 地 铁 车 站 在 动 静荷 载 作 用 下 的 力 学 行 为 进 行 了 研 究，得 到 了 此 两种 型 式 的 顶 板 受 力 特 点，及 车 站 跨 度 和 埋 深 对 无柱 地 铁 车 站 结 构 的 影 响 规 律。本 文 在 案 例 调 研 的 基 础 上，筛 选 出 可 能 用 于北 京度 设 防 地 区 无 柱 车 站 的 六 种 结 构 体 系，采用 有 限 元 软 件 对 各 体 系 进 行 内 力 分 析，并 针 对 各体 系 特 点 给 出 合 理 的 指 标 参 数，最 后 从 受 力、经济 性 等 角 度 对 各 体 系 进 行 排 序。无 柱 车 站 的 特 点 及 结 构 体 系 无 柱 车 站 的 特 点大 跨 无 柱 地 铁 车 站 是 指 相 对 普 通 有 柱 车 站 而言，车 站 公 共 区 内 无 柱、跨 度 较 大 的 车 站，一 般北京地区无柱大跨岛式车站结构体系研究孙 立 柱薛 茹 镜?是 岛 式 双 层 地 下 车 站，大 跨 无 柱 地 铁 车 站 具 有 场地 适 应 性 强、视 野 开 阔、通 透、有 利 于 楼 扶 梯 等服 务 设 施 综 合 布 局 和 管 线 灵 活 敷 设 的 特 点。结 构 体 系根 据 相 关 资 料 调 研，可 用 于 北 京 地 区 的 无 柱体 系 主 要 有 图所 示种。地 铁 车 站 一 般 覆土 较 厚，顶 板 荷 载 较 大，相 比 其 他 构 件 受 力 更 为不 利，因 此 下 文 进 行 各 体 系 受 力 分 析 时 主 要 侧 重于 顶 板。图 常见无柱结构体系 各 体 系 受 力 分 析为 分 析 各 体 系 的 受 力、变 形 及 相 关 参 数 的 设置，采 用 有 限 元 软 件 建 立 模 型，以 北京 某 一 典 型 地 层 参 数（表）及 相 同 覆 土 埋 深（）进 行 各 体 系 受 力 分 析。站 台 板 宽 度 取 （涵 盖 大 部 分 常 规 车 站）；拱 形 车 站 顶 板 按 倒 三 角形 荷 载 模 式（两 边 大 中 间 小）；抗 震 设 防 烈 度度。表参 考 相 关 文 献 归 纳 出 各 体 系 重点 研 究 内 容，受 篇 幅 所 限，下 文 仅 针 对标 示 研究 内 容 进 行 分 析 研 究。变 截 面 板 体 系变 截 面 板 体 系 的 腋 角 尺 寸 是 非 常 重 要 的 一 个参 数，对 内 力 及 造 价 影 响 很 大。为 了 便 于 分 析，定 义 腋 高 比为 加 腋 高 度与 板 厚 度的 比 值，即 ；腋 长 比为 加 腋 长 度与 板 跨 度的比 值，即 。见 图。表地 层 参 数 土 层 名 称厚 度（）基 床 系 数（）杂 填 土 黏 质 粉 土砂 质粉 土 素 填 土 黏 质 粉 土砂 质 粉 土 粉 细 砂 细 砂 细 中 砂 表各 体 系 重 点 研 究 内 容 序 号结 构 体 系 名 称重 点 研 究 内 容变 截 面 板 体 系 变 截 面 板 与 平 板 的 对 比 研 究 腋 角 参 数 的 影 响 不 同 站 台 宽 度 的 影 响 抗 拔 桩 设 置 的 影 响井 字 梁 体 系 纵 梁 设 置 的 影 响 横 梁 参 数 的 影 响 不 同 站 台 宽 度 影 响混 凝 土 刚 接 桁 架体 系 桁 架 间 距 对 下 弦 杆 的 影 响 桁 架 间 距 对 顶 板 受 力 的 影 响 不 同 站 台 宽 度 影 响预 应 力 体 系 框 架 间 距 的 影 响 底 板 梁 高 度 的 影 响 顶 板 竖 向 腋 角 高 度 的 影 响 不 同 站 台 宽 度 的 影 响劲 性 混 凝 土体 系 不 同 纵 梁 间 距 的 影 响 型 钢 梁 与 非 型 钢 梁 受 力 改 善 效 果 不 同 站 台 宽 度 的 影 响拱 形 板 体 系 矢 跨 比 的 影 响 土 体 水 平 基 床 系 数 影 响 仰 拱 设 置 影 响 拱 顶 线 形 影 响 附 属 结 构 侧 墙 开 洞 影 响 不 同 站 台 宽 度 影 响图 腋高比和腋长比示意 变 截 面 板 体 系 受 力 与 腋 高 比、腋 长 比 的 对 应关 系 见 图。年 月第 卷第 期 图 弯矩随腋角尺寸变化曲线 从 图中 可 以 看 出：当 腋 高 比 一 定 时，板 跨 中弯 矩 随 腋 长 比 的 增 大 而 显 著 减 小，板 支 座 弯 矩 随 腋长 比 的 变 化 不 明 显；当 腋 长 比 一 定 时，板 跨 中 弯 矩随 腋 高 比 的 增 大 而 显 著 减 小，板 支 座 弯 矩 随 腋 高 比的 增 大 而 增 大。综 合 考 虑 费 用 及 空 间 效 果，腋 高 比建 议 在 之 间，腋 长 比 在 之 间。井 字 梁 体 系传 统 地 铁 车 站 多 采 用 纵 梁 体 系，设 备 管 线 可以 利 用 横 向 跨 度 之 间 的 空 间 进 行 布 置，但 横 梁 的设 置，必 定 占 用 站 厅、站 台 层 的 竖 向 空 间，因 此在 保 证 结 构 安 全 的 前 提 下，寻 找 最 优 的 横 梁 布 置方 案 是 十 分 必 要 的。如 表所 示 建 立种 模 型，其 中 模 型 五 为 厚 板 方 案。表模 型 参 数 模 型 编 号 横 梁 间 距 横 梁 尺 寸 楼 板 尺 寸 模 型 一 模 型 二 模 型 三 模 型 四 模 型 五 图为 不 同 模 型 横 梁 弯 矩 对 比，从 图 中 可 以 看到，随 着 横 梁 间 距 的 增 加，受 力 呈 线 性 增 加 趋 势。图 不同模型横梁支座及跨中弯矩对比 同 时 为 综 合 考 虑 各 模 型 的 费 用 情 况，首 先 计算 各 模 型 每 延 米 混 凝 土 用 量：考 虑 到 横 梁 体 系 在层 高 上 相 对 纯 板 结 构 有的 差 距，因 此 在 混 凝土 用 量 上 需 要 考 虑 两 侧 共 计的 侧 墙 混 凝 土 量，此 外 还 需 考 虑 基 坑 深 度 增 加后 引 起 的 基 坑 费用 的 增 加。从 表可 以 看 到，若 只 考 虑 混 凝 土 用 量，横梁 体 系 相 对 纯 板 结 构 每 延 米 混 凝 土 用 量 平 均 要 减少，但 是 考 虑 基 坑 工 程 费 用 之 后，横 梁 体 系相 对 纯 板 结 构 的 造 价 每 延 米 要 提 高 。此 外 考 虑 到 顶 梁 可 以 设 置 成 上 反 梁，估 算 只 要 将顶 梁 上 反，在 工 程 费 用 上，横 梁 体 系 和 纯板 结 构 就 可 以 达 到 一 个 平 衡 状 态。表经 济 对 比（延 米）（）项 目模 型 一模 型 二模 型 三模 型 四模 型 五混 凝 土 用 量 混 凝 土 造 价万 基 坑 工 程 增 加万 总 计 根 据 上 述 分 析，顶 板 设 置 横 梁 相 对 纯 板 结构，通 过 上 反 梁 措 施，在 工 程 费 用 方 面 方 案 三 和五 两 种 方 案 可 以 持 平，但 在 大 跨、无 柱 的 车 站 结构 设 计 前 提 下，纵 梁 设 置 间 距 过 密，增 加 施 工 难度，延 长 工 期。因 此 在左 右 覆 土 的 前 提 下，井 字 梁 的 优 势 不 明 显。混 凝 土 刚 接 桁 架 体 系由 相 关 文 献可 知，桁 架 间 距 对 受 力 的 影 响非 常 大，因 此 整 理 混 凝 土 刚 接 桁 架 体 系 顶 板 跨 中及 支 座 横 向 最 大 弯 矩 如 图。由 图可 见：随 着混 凝 土 刚 接 桁 架 间 距 增 大，顶 板 跨 中 最 大 弯 矩 呈北京地区无柱大跨岛式车站结构体系研究孙 立 柱薛 茹 镜?现 增 大 趋 势，间 距与相 差 约，幅 度虽 然 很 大，但 由 于 顶 板 跨 中 整 体 弯 矩 较 小，因 此可 以 认 为 顶 板 跨 中 弯 矩 对 桁 架 间 距 整 体 影 响较 小。图 顶板跨中及支座横向最大弯矩 随 着 混 凝 土 刚 接 桁 架 间 距 增 大，顶 板 支 座 最大 弯 矩 同 样 呈 现 增 大 趋 势，间 距与相 差约，间 距 为时 顶 板 支 座 弯 矩 为，在 可 控 范 围 内，并 满 足 强 度、裂 缝、挠 度 计 算 要求。推 荐 合 适 的 间 距 在 之 间。预 应 力 体 系预 应 力 体 系 通 过 设 置 框 架 梁，通 过 在 梁 内 设置 预 应 力 钢 筋 来 实 现，因 此 框 架 间 距 是 受 力 及 板厚 的 一 个 重 要 影 响 因 素，图为 预 应 力 体 系 框 架间 距 与 顶 板 应 力 及 板 厚 的 对 应 关 系。图 框架间距与顶板应力及板厚的对应关系 ，图 劲性混凝土体系与普通钢筋混凝土体系对比 由 图可 见：比 较 框 架 间 距 分 别 为 与 时 的 侧 墙 顶 支 座 处 最 大 拉 应 力，两 者 已 经没 有 明 显 差 距，说 明 框 架 间 距 时，其 支座 应 力 已 趋 于 均 匀。框 架 间 距 较 板厚 增 加，增 加 量 不 大，其 整 体 建 筑 效 果 更好，并 可 降 低 施 工 难 度，缩 短 工 期，故 框 架 间距 推 荐 取。劲 性 混 凝 土 体 系在 钢 筋 混 凝 土 中 增 加 型 钢，组 成 劲 性 混 凝土 体 系，在 不 增 加 整 体 截 面 的 情 况 下 可 以 改 善混 凝 土 结 构 的 受 力 状 况，图为 劲 性 混 凝 土 体系 与 普 通 钢 筋 混 凝 土 体 系 的 对 比。由 图可 见，相 同 纵 向 间 距 条 件 下，劲 性 混 凝 土 梁 相 比 普 通 钢筋 混 凝 土 梁 顶 板 梁 和 中 板 梁 的 跨 中 最 大 弯 矩 分 别降 低 约和，支 座 最 大 弯 矩 分 别 增 加 约和。在 实 配 配 筋 率 基 本 相 同 的 条 件 下，劲 性 混 凝土 梁 相 比 普 通 钢 筋 混 凝 土 梁 顶 板 梁 和 中 板 梁 的 跨中 最 大 挠 度 值 分 别 增 加 约和，梁 截 面高 度 分 别 减 少 约和。根 据 上 述 分 析，劲 性 混 凝 土 体 系 对 跨 中 弯 矩的 降 低 起 主 要 贡 献，同 时 由 于 增 加 了 型 钢 减 小 了梁 的 截 面 尺 寸，对 改 善 空 间 效 果 方 面 作 用 明 显。拱 形 板 体 系拱 形 结 构 的 起 拱 参 数 对 受 力 影 响 起 主 要 作用，为 量 化 不 同 拱 形 的 影 响，引 入 桥 梁 工 程 中 常用 矢 跨 比来 描 述 拱 的 陡 坦 程 度，其 定 义 为 拱 顶至 拱 脚 水 平 连 线 的 垂 直 距 离与 跨 度的 比 值，即 ，如 图所 示。图为 拱 形 板 结 构 体 系 跨 中 及 拱 脚 弯 矩 与矢 跨 比 的 对 应 关 系，图为 不 同 矢 跨 比 的 变 形情 况。年 月第 卷第 期 图 矢高与跨度的相对关系 图 弯矩与矢跨比的对应关系 图 不同矢跨比的变形示意 从 图和 图可 以 看 出，内 力 总 体 在 可 控范 围；当 矢 跨 比 为 时，构 件 内 力 较 大，拱脚 向 外 偏 移；矢 跨 比 为 或 时 内 力 和 变形 均 有 所 改 善；矢 跨 比 为 时，拱 板 弯 矩 最小，拱 脚 侧 移 最 小，结 构 体 系 最 合 理，拱 顶 变 形类 似 于“竖 鸭 蛋”，拱 脚 向 内 侧 偏 移。相 对 而 言，矢 跨 比 时 结 构 从 受 力 角 度 更 为 合 理。受 力 对 比 及 经 济 对 比为 综 合 衡 量 各 体 系 的 优 劣，对 各 体 系 从 受 力和 经 济 角 度 进 行 综 合 排 序，每 种 情 况 取 前 三 名。受 力 对 比以站 台 宽 度 为 例，其 他 条 件 相 同，各 体系 顶 板 跨 中 弯 矩、顶 板 竖 向 位 移、底 板 埋 深 对 比见 图。由 图可 见，针 对 各 结 构 体 系 的 无 柱顶 板，从 受 力 最 小 的 角 度 进 行 排 序，前 三 者 依 次为 拱 形 板、混 凝 土 刚 接 桁 架、变 截 面 板 体 系。从图可 以 看 出，无 柱 顶 板 竖 向 位 移 最 小 的 前 三名 分 别 为 预 应 力 体 系，拱 形 板 体 系、变 截 面 板 体系。由 图可 见，在 层 高 相 同 的 条 件 下，单 柱 由 于 设 置 柱 子 进 行 减 跨，板 截 面 尺 寸 较 小，底 板 埋 深 最 小，无 柱 体 系 最 小 埋 深 前 三 名 依 次 为变 截 面 板 体 系、劲 性 混 凝 土 体 系、混 凝 土 刚 接 桁架 体 系。图 不同结构体系受力对比 经 济 对 比不 同 结 构 体 系站 台 宽 度 对 应 的 费 用 如图所 示。根 据 图，延 米 费 用 最 优 的 前 三 名为 混 凝 土 刚 接 桁 架 体 系、变 截 面 板 体 系、拱 形 板体 系，三 者 延 米 费 用 均 在万 以 内。最 高 和 最低 延 米 费 用 相 差万 左 右。图 不同结构体系的延米费用 中 板 方 案 研 究若 要 将 站 台 层 的 中 柱 取 消，实 现 站 厅 层、站台 层 均 无 柱 的 全 无 柱 地 铁 车 站，就 要 对 车 站 中 板进 行 相 应 的 结 构 措 施 改 造 以 满 足 承 载 力 和 结 构 变形 的 需 求。无 柱 中 板 是 全 无 柱 车 站 结 构 型 式 实 现的 关 键 一 环，是 对 整 个 车 站 结 构 型 式 优 化 的 核北京地区无柱大跨岛式车站结构体系研究孙 立 柱薛 茹 镜?心，因 此 需 对 各 设 计 方 案 中 中 板 结 构 受 力 特 点 进行 分 析，选 取 最 佳 优 化 方 案。表为 单 柱 中 板 与四 个 无 柱 中 板 方 案 对 比。表不 同 无 柱 体 系 中 板 方 案 方 案 名 称 方 案 简 介方 案 简 图方 案 一单 柱 方 案方 案 二厚 板 加 腋 的结 构 形 式方 案 三站 台 门 内 设 置小 柱 方 案，站 厅 无 柱方 案 四可 将 轨 顶 风道 板 改 造 为拱 形 板，并 与中 板 一 体 浇 筑方 案 五风 道 板 作 为斜 撑 板，并 与中 板 一 体 浇 筑 结 构 内 力五 个 方 案 中 板 弯 矩 对 比 见 图。从 图可以 直 观 地 看 出，方 案 二 弯 矩 最 大，这 是 由 于 中 板跨 中 没 有 形 成 支 撑 作 用，方 案 三 直 接 在个 柱 子的 位 置 形 成 了 反 弯 点，出 现 负 弯 矩，数 值 与 侧 墙位 置 接 近。方 案 四 和 方 案 五 间 接 的 在 风 道 侧 墙 位置 形 成 了 支 点，产 生 了 负 弯 矩，两 方 案 效 果 相当，也 起 到 了 减 跨 的 作 用。图 不同方案弯矩对比 结 构 位 移五 个 方 案 竖 向 位 移 对 比 见 图。从 图可以 更 加 直 观 地 看 出，方 案 二 跨 中 位 移 最 大，达 到了，但 是 也 满 足 相 关 规 范 变 形 要 求，方 案一、方 案 三 由 于 设 置 了 柱 子，在 柱 子 的 位 置 对 竖向 位 移 进 行 约 束，方 案 一 最 大 位 移，方 案 三最 大 位 移，效 果 相 当。方 案 四、方 案 五 最 大竖 向 位 移 分 别 为和，虽 然 没 有 直 接 在竖 向 加 支 撑，但 是 从 结 果 来 看，拱 形 结 构 和 斜 板结 构 间 接 的 起 到 了 支 撑 的 作 用。方 案 二 虽 然 位 移最 大，但 结 构 体 系 简 单，同 时 中 板 荷 载 较 小，从便 于 施 工 的 角 度 作 为 推 荐 方 案。图 不同方案竖向位移对比 结 论本 文 针 对 可 用 于 北 京 地 区 的 六 种 无 柱 体 系的 车 站 形 式 进 行 内 力 分 析，并 针 对 每 种 体 系 的 特点 给 出 合 理 的 指 标 参 数。对 六 种 体 系 的 无 柱 车 站 从 顶 板 受 力、位移、底 板 埋 深 及 工 程 造 价 的 角 度 分 别 进 行 排 序。受 力 最 优 的 体 系 为 拱 形 板 体 系，变 形 控 制 最 优 的体 系 为 预 应 力 体 系，埋 深 最 优 的 体 系 为 变 截 面 板体 系，经 济 方 面 最 优 的 体 系 为 混 凝 土 刚 接 桁 架体 系。针 对 各 中 板 方 案 位 移 及 内 力 分 析，推 荐 厚板 加 腋 方 案。参 考 文 献农 兴 中大 跨 度 无 柱 地 铁 车 站 设 计 广 东 土 木 与 建 筑，（）：，（）：杨 成 蛟 宽 岛 式 站 台 明 挖 无 柱 拱 形 地 铁 车 站 的 设 计城 市 轨 道 交 通 研 究，年期：，：杨 成 蛟 宽 站 台 明 挖 无 柱 地 铁 车 站 结 构 研 究 工程 实 践，（）：，（）：余 玉 琴地 铁 车 站 无 梁 体 系 内 力 随 顶 板 厚 度 变 化 规 律 的 分析 研 究 市 政 技 术，（）：年 月第 卷第 期 ，（）：郑 文 华多 种 地 下 大 跨 度 结 构 体 系 对 比 分 析 工 业 建筑，：，：方 志 斌地 铁 车 站 暗 挖 出 入 口 合 理 断 面 形 式 设 计 中国 水 运，（）：，（）：林 伟 波顶 板 加 腋 式 大 跨 无 柱 地 铁 车 站 结 构 静 动 力 性 能 研究 华 南 理 工 大 学，冯 云，陈 文 艳软 土 地 区 复 杂 环 境 下 大 跨 全 无 柱 叠 合 拱 车站 结 构 创 新 实 践 （第 四 届）上 海 国 际 城 市 轨 道 交通 建 设 高 峰 论 坛 论 文 集：，（）：张 世 荣富 水 圆 砾 地 层 无 柱 大 跨 地 铁 车 站 结 构 方 案 优 化 与耐 久 性 研 究 西 安 建 筑 科 技 大 学，刘 欣浅 谈 单 柱 与 无 柱 地 铁 车 站 结 构 设 计 比 较 甘 肃科 技，（）：，（）：何 旭 升无 柱 大 跨 变 截 面 地 铁 车 站 地 震 响 应 分 析 结构 工 程 师，（）：，（）：刘 常 浩无 柱 大 跨 地 铁 车 站 受 拉 中 板 多 工 况 受 力 变 形 数 值分 析 建 筑 结 构，（）：，（）：兰 胜 林无 柱 地 铁 车 站 结 构 内 力 变 形 分 析 广 东 土 木与 建 筑，（）：，（）：櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧（上 接 第页）刘 钊，雷 海 鹏，罗 杰，等 先 张 预 应 力 双梁 抗 弯 性能 足 尺 模 型 试 验 研 究 桥 梁 建 设，（）：，（）：，（）：熊 锦 鹏折 线 先 张 法梁 张 拉 台 座 设 计 与 应 用 市 政 技 术，（）：，（）：混 凝 土 结 构 设 计 规 范 北 京：中 国 建筑 工 业 出 版 社，：，杨 剑，方 志超 高 性 能 混 凝 土 单 轴 受 压 应 力应 变 关 系 研究 混 凝 土，（）：，（）：张 哲，邵 旭 东，李 文 光，等超 高 性 能 混 凝 土 轴 拉 性 能 试验 中 国 公 路 学 报，（）：，（）：