南京某明挖地铁车站的中庭结构设计方法分析_图文

1、 南京某明挖地铁车站的中庭结构设计方法分析刘钧, 沈晓伟(中铁第一勘察设计院集团有限公司, 南京210015摘要:以南京第一座明挖大空间中庭式地铁车站为例, 分析影响中庭结构设计方法的关键问题, 即在中庭开洞范围内, 剩余中板与中柱形成的结构体系对侧墙的约束效果和中柱在产生侧向位移时的结构安全及稳定性, 提出可供同类工程设计参考的方法和措施。关键词:明挖; 地铁车站; 中庭结构; 约束效果; 中柱稳定性; 设计方法中图分类号:U 231+. 1文献标志码:B文章编号:1672-741X (2009 05-0531-04Analysis on Desi gn of Atr i u m Struc

2、ture of a M etro St ati oni n Nanji n g Constructed by Cut and Cover M ethodL I U Jun, SHEN Xiaowei(China R ail w ay F irst S urvey and D esign Institute Co . L td . , N , China Abstract:Taking the first large 2s pace atrium by cut and cover method, as an exa mp le, the authors of the atrium structu

3、re, including the restric 2ti on effect of the the inter mediate fl oor slabs and the inter mediate colu mns on the side walls and the structural stability of the inter mediate colu mns under lateral dis p lace ment conditi ons . Further 2more, the authors als o p r opose methods and measures that c

4、an be used as references f or the design of si m ilar p r ojects in the future .Key W ords:cut and cover method; Metr o stati on; atriu m structure; restricti on effect; stability of inter mediate colu mn; design method0引言传统地铁车站建筑的空间由于天然光线的不足和景观的封闭压抑, 容易产生不良心理反应等功能方面的弊病, 而中庭式地铁车站的出现则大为改善了这一问题, 同时也为车

5、站建筑的内部环境带来了完整的、开放的、富有魅力的景观; 因此, 在各国地铁建设中得到了越来越多的应用, 我国近年来也出现了部分大空间中庭式地铁车站, 如广州地铁3号线赤岗塔站, 以及上海轨道交通7号线的龙阳路站等。大空间中庭式地铁车站实现了建筑诉求的更人性化的功能和优点, 却也给结构上的设计带来了新的难题。文献1介绍性地指出了其所选车站中庭结构设计的4个难点, 即中柱与屏蔽门的结合、侧墙截面的选择以及拆撑、中板浇筑时机的选择以及侧墙与中板节点处理; 文献2着重分析了侧墙截面选择的理由及相关的中柱设计要点, 给出了重要的指导性意见; 但关于水平梁的平面稳定性对于侧墙截面选择的影响论述显得不足,

6、且没有进一步分析中板与侧墙的节点方案选择。以南京地铁二号线第一座浅埋明挖大空间中庭式地铁车站为例, 对此类车站的中庭结构设计做进一步的分析。1工程概况该车站位于国家5A 级风景旅游区中山陵景区, 与在建的陵园路入口旅游基地(二层大型地下商场 相连通。为整合地铁客流资源与该区旅游商业资源, 使车站景观与地下商场有机结合, 建筑设计将车站有效站台上方(车站有效站台长140m 站厅层中部乘客极少停留和穿越区域的部分楼板取消, 形成两层掏空的共享空间, 即在公共区形成两个长分别为31、36m , 宽8. 6m 的双拼中庭空间, 如图1所示。车站主体结构主要为二层现浇钢筋混凝土箱形框架结构, 公共区中庭

7、段为局部单层框架结构, 如图2所示。工程采用明挖顺做法施工, 基坑围护采用人工挖孔桩、基坑内设钢管支撑的形式。收稿日期:2009-07-28; 修回日期:2009-09-08作者简介:刘钧(1983 , 男, 江苏靖江人, 2004年毕业于西安科技大学土木工程专业, 本科, 助理工程师, 现从事地铁车站结构设计。第29卷第5期2009年10月隧道建设Tunnel C onstructionVol . 29No . 5Oct . 2009 图1站厅层平面布置图(单位:mm Fig . 1Plan layout of concourse (mm 图2中庭结构横剖面图(单位:mm Fig . 2Cr

8、 oss 2secti on of atriu m structure (mm 2结构布置和设计难点中庭开洞使得中板对侧墙约束减弱, 从而导致侧墙跨中正弯矩、支座负弯矩以及墙板剪力显著增大, 综合考虑顶底板承受的水土荷载, 拟定结构顶板厚度为900mm , 中板厚度为400mm , 底板厚度为1000mm , 中柱为700mm ×1000mm , 侧墙厚度1100mm 。除中柱尺寸外, 其余均是在忽略中板对侧墙的约束作用下拟定的; 即按单跨侧墙拟定的; 因此, 有必要分析中庭开洞范围内中板对侧墙的约束效果, 以确定首要受力构件(侧墙 的尺寸是否合理, 由此产生中庭结构设计的2个需要关

9、注的难点。2. 1中庭开洞范围内中板水平梁及中柱对侧墙的约束效果分析根据建筑专业要求, 需在车站中板开两个长为31、36m , 宽8. 6m 的大洞。中板开洞后, 在开洞长度31m , 另一跨为72m , 梁宽即中板厚度, 和36m 跨度的范围, 6, 因此需分析水平梁。2. 2中庭开洞范围内主体框架中柱的结构安全及稳定性分析中板开洞后刚度削弱, 造成车站开洞段水平支撑弱化, 使得中柱因侧墙水平侧移的传导而承受较大的侧向弯矩, 且产生一定的柱端位移, 相对于一般地下车站的框架中柱主要承受竖向压力荷载, 这是个相对比较危险的受力状态。因此, 必须对其进行计算分析, 确定受力状况及稳定性, 从而最

10、终制定相应的设计方案。3结构建模与计算分析3. 1工程地质条件车站场地隶属山前岗地地貌单元, 西部有一泄洪沟, 宽68m, 坡高23. 5m, 坡度约10%, 水流自北向南, 地貌形态较复杂。拟建站区东西向为交通主干道(宁杭公路 , 北部为密集民宅, 地面标高19. 322. 60m, 相对高差3. 3m , 地势稍有起伏, 呈西低东高趋势。岩土分层及参数见表1。表1岩土层物理力学特性指标Table 1Physical and mechanical para meters of gr ound土层层厚/m重度/(kN /m3</(° c /kPa基床系数K K 静止侧压力系数1

11、-12. 618. 525216150. 451-2b2-31. 719. 3212036400. 454-3e11. 92037265800. 35K2p -1b 1. 719. 830640450. 33K2p -2a 2. 819. 83063003500. 33K2p -2b 6. 619. 83061001200. 33J1-2xn1. 719. 63558009000. 27235隧道建设第29卷 3. 2结构模拟及荷载取值车站顶板荷载考虑使用阶段的恒载(覆土重度 和地面超载相组合; 底板荷载考虑水浮力以及地基反力, 并依弹性地基梁理论用直压杆模拟计算; 车站围护所用的灌注桩按照弹

12、性地基梁的方法分析, 且使用单压单元模拟内侧墙与灌注桩之间力的传递效应, 计算侧墙及灌注桩所承受的水土压力时均使用水土分算。考虑施工阶段影响, 计算时进行非线性迭代分析。荷载布置如图3所示 。图3中庭区标准断面荷载布置简图Fig . 3D istributi on of l oads of standard cr oss -secti on of atriu m secti on3. 3结构计算分析本站计算采用S AP2000有限元软件对中庭开洞区域按三维空间板壳结构模型进行计算分析。首先按假定不存在约束的模型分析(取消中庭开洞区域的中板, 侧墙单跨 , 经计算发现在这种情况下, 侧墙在中板水

13、平梁36m 跨中点处, 竖向跨中部位的正弯矩为1564. 9k N m,受弯变形为8. 93mm; 其次按存在约束的模型分析(保留中庭开洞区域的中板 , 经计算发现在该模型下, 侧墙在同样部位的正弯矩为1430. 6kN m , 受弯变形为8. 23mm 。可以看出, 2种情况的模拟分析结果差异很小, 可判断引起该结果的原因主要为中庭区域的中板及柱形成的结构体系整体刚度相对侧墙刚度偏弱, 不能对侧墙构成有效约束, 从而起到分割侧墙跨度的效果。因此, 设想通过减少侧墙厚度, 从而削弱其刚度以达到利用中板水平梁分割侧墙跨度的目的。考虑到该水平梁的高宽比m =5200/400=13, 属于狭长矩形截

14、面, 因此需要对其进行整体稳定的临界荷载计算, 根据文献3, 临界荷载q cr =22L33(1式中:c 为荷载与约束型系数, 根据本工程中实际情况, 取c =12. 85; E 、G 分别为弹性模量和切变模量,N /mm2; A 为梁载面面积, mm 2; L 为梁跨, mm; 为矩形截面杆在自由扭转时的因数, 根据文献4对于文中分析的水平梁, 取=4. 333。计算可知梁整体稳定的临界荷载q cr =590. 67kN /m, 小于假定中板水平梁对侧墙构成有效约束时,通过侧墙传导过来的折合成的均布荷载982kN /m, 因此可能导致水平梁失稳破坏。由此可以看出, 在中庭开洞后, 剩余中板形

15、成的水平梁及中柱组成的结构体系因整体刚度偏弱, 难以对侧墙形成有效的水平约束, 且水平梁自身的平面稳定性也不足以作为支座起到分割侧墙跨度的功能, 故设计时不考虑中板水平梁及中柱形成的结构体系对侧墙的约束作用, 从而按单跨墙拟定其截面的方法是合理可行的。对于中庭范围内的中柱, 其受力形式不同于一般车站中柱主要承受竖向荷载。中板开洞后刚度削弱, 使得侧墙因水土压力产生的水平侧移传递至中柱上, 产生额外的侧向弯矩, 从而削弱中柱的竖向承载力, 影响中柱的稳定性。一般来说, 为避免中柱在这种不利状态下工作, 在中庭段采用中板与侧墙完全分离的结构体系, 即牛腿的方式进行连接, 并在牛腿与中板的接触面设置

16、滑动式橡胶支座1, 如图4所示。335第5期刘钧, 等:南京某明挖地铁车站的中庭结构设计方法分析 图4中板与侧墙连接节点Fig . 4Connecti on bet w een inter mediate fl oor slab and side wall这种方式符合设计初计算模型的选用, 中板和侧墙完全脱离, 且可自由伸缩, 因此解决了中庭区域中柱稳定性问题。但是在这种结构体系下, 车站整体性略显不够, 侧向水土荷载完全由大跨度的侧墙承担, 不能刚度来分担部分弯矩, , 分担弯矩的目的。在这种情况, 车站结构在中庭开洞处可看作侧移框架, 故首要考虑的就是中柱柱端由侧墙变形传导产生的柱端位移是

17、否影响柱的稳定性。根据规范5, 中柱稳定性可由公式(2 判断:D i 10G i /h i(2式中:D i 为弹性等效侧向刚度, N /mm, D i =V i /i (V i 为柱端剪力, i 为柱端侧位移 ; G i 为重力荷载设计值, N; h i 为楼层层高, mm 。考虑混凝土徐变系数=1. 25, 由此可计算出满足柱稳定性允许的最大侧位移max =16. 8mm; 而根据规范5, 还应该验证柱的弹性等效侧向刚度是否满足D i 20G i /h i , 以确定是否需要考虑重力二阶效应的不利影响。由此计算得出, 若不考虑重力二阶效应的不利影响, 柱的最大侧向位移需满足max 8. 4m

18、m 。而采用拟定的结构尺寸建模计算得到的最大柱侧位移=4. 3mm , 满足柱稳定性验算及规范6规定的弹性层间位移, 且不用考虑重力二阶效应的不利影响。此时柱端最大弯矩为M+max=970. 33k N m, M-max=-1277. 83k N m 。钢筋合理配置, 可认为中柱受力安全合理且具有足够的设计储备。4结论本站作为南京及江苏地区首座浅埋明挖大空间中庭式地铁车站, 其建筑方案的创新得到了一致的认可。所分析的设计方法, 在满足结构安全、经济的条件下, 充分支持了建筑设计思路的成功表达, 对以后类似车站的结构设计可提供一个可行的参考。1 中庭开洞后, 大范围的中板被去除后形成的水平梁与中柱形成的结构体系因刚度偏弱难以对侧墙形成有效的约束; 且水平梁保持自身结构稳定的临界荷载偏小, 也不能构成安