江胜学
(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉430063)
近年来,随着科技水平和人们生活质量的不断提高,私家车辆越来越多,尤其是像北京、上海等大城市,这就使得交通拥挤变得越来越严重,因此,为了缓解地面交通的压力,大规模发展城市轨道交通成为交通发展的趋势[1]。对于城市轨道交通车辆基地和停车场设计总结,在车辆工艺、轨道、建筑功能和总图布置等方向已有研究,结构方向研究较少。高莉萍[2]阐述了车辆段停车列检库工艺设计特点。武江虹[3]叙述了车辆段和停车场轨道设计及设计标准。肖俊[4]阐述了列检库列检位检查坑的优化设计。乔艺[5]总结了地铁车辆段与停车场建筑规划和设计。朱蓓玲[6]探讨了地铁车辆段和停车场选址的关键要素和分布合理性。本文主要对武汉市轨道交通1号线东延长线汉口北停车场(见图1)进行结构设计技术总结,供其他后续轨道交通车辆维修基地和停车场结构设计时提供参考。
城市轨道交通停车场主要功能是承担地铁车辆的运用、停放、列检及周月检等工作。一般有以下几个建筑单体组成:综合楼、运用库、洗车库、变电所、污水处理站、人行天桥和门卫。综合楼用于日常办公和食住等功能;运用库用于地铁车辆停放和检修保养等功能;洗车库用于地铁车辆清洗;变电所负责给整个停车场供电;污水处理站主要处理停车场内污水净化排放;人行天桥用于工作人员跨轨道通行,车辆正常运营时,行人不能随意穿越轨道。
场地地质概况由上至下主要有以下土层:新填土4~5m深,高压缩性;淤泥0.4~5.5m深,fak=50kPa,高压缩性;粘土0.6~7.4m深,fak=65kPa,高压缩性;淤泥质土1~8.7m深,fak=55kPa,高压缩性;粉质粘土1~7.2m深,fak=200kPa,中压缩性;强风化泥质砂岩未揭穿,fak=300kPa,低压缩性。
图1 汉口北停车场效果图
停车场内房屋结构安全等级为二级,结构设计使用年限为50年。根据《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008,除变电所为重点设防类外,其余均为标准设防类建筑[7]。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010,本实例工程属于抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度0.05g,地震设计分组为第一组[8],结合地方管理规定和场地地震安全性评价报告,场区特征周期0.35s,地震影响系数最大值0.0765,场地土类别为Ⅲ类。
工程材料选择:主体结构混凝土等级采用C30,地下室结构采用P6抗渗等级防水混凝土,二次浇捣构件(如构造柱和圈梁等)混凝土等级采用C25,钢梁钢柱采用Q235B钢材。
主要建筑单体结构布置和基础选型如下:
综合楼建筑面积约7000m2,总高度为22.35m,五层钢筋混凝土框架结构,局部有地下室,柱网布置开间7.8m,进深7.2m,抗震等级四级,主要柱截面600×600,主要梁截面300×700。选用直径500预应力混凝土管桩桩承台基础,持力层粉质粘土。
洗车库和污水处理站为一层钢筋混凝土框架结构,局部两层,抗震等级四级,主要柱截面500×500,主要梁截面300×800。选用直径400预应力混凝土管桩桩承台基础,持力层粉质粘土。
变电所为两层钢筋混凝土框架结构,其中一层为半地下室电缆夹层,抗震等级三级,主要柱截面400×400,主要梁截面300×900。选用直径400预应力混凝土管桩桩承台基础,持力层粉质粘土。
人行天桥独柱钢筋混凝土框架结构,柱网布置跨度7m+13m+12m+8.5m,抗震等级四级,主要柱截面500×1200,主要梁截面400×1200。选用直径600钻孔灌注桩桩承台基础,持力层粉质粘土。
(1)根据场地地质概况的描述,本场地淤泥及淤泥质土较厚,新填土达4m深,场地地面沉降不稳定,柱下基础和库房内无砟整体现浇道床,对基础沉降极其严格,选用何种加固处理措施,是结构设计难点之一。
针对本场地特征,结构设计时比选以下加固方案(见表1):
表1 结构设计加固方案
结合单体柱底力和工程特点,沉降要求严,工期要求紧,建议柱下基础和轨道道床下选用预应力混凝土管桩方案。
(2)运用库为大跨度工业厂房,采用何种结构体系,是本工程结构设计难点之二。
针对本工程运用库跨度28m,结构设计比选以下结构体系方案(见表2):
追至古代,古籍只说孔子不撤姜食,不曾说他吃辣椒。在楚辞中“椒”字最多,离骚中有“杂申椒与菌桂兮”,有“怀椒醑而要之”,九歌中“奠桂酒兮椒浆”,“椒”字不少。但根据具体描述,古代的“椒”从来不是现代人舌尖上的辣椒。辣椒在中国作为食品,起于何时?
表2 结构体系加固方案
考虑施工周期和经济指标,本工程采用钢梁钢柱门式刚架结构体系。
(3)刚架梁梁连接节点计算时,高强螺栓计算中和轴位置的确定是本工程结构设计难点之三。
查阅相关资料,中和轴位置的确定有两种假定:①中和轴在受压翼缘中心,假定模型:在弯矩作用下,把梁根部截面弯矩简化为作用于梁上、下翼缘的力偶,同时把梁受拉翼缘和端板作为独立的T形连接件看待,忽略腹板的扶持作用。此假定螺栓受力与端板厚度关系很大,设计计算较为繁琐;②中和轴在端板形心,假定模型:高强螺栓外拉力总是小于预拉力,在连接受弯矩而使螺栓沿栓杆方向受力时,被连接构件的接触面一直保持紧密贴合,认为中和轴在螺栓群的形心轴上。根据《端板连接高强度螺栓群中和轴位置研究》试验论文结果,螺栓群中和轴介于其端板形心与受压翼缘内侧中心线之间,当所受弯矩越小,则中和轴越接近端板形心轴,越大则越接近受压翼缘[9]。
计算结果表明,假定二计算得出梁截面高度和螺栓受拉力要比假定一结果大,根据本工程计算弯矩大小,偏安全考虑,建议中和轴位置按端板形心计算。
结合配合施工中出现的问题,分析问题原因和解决措施,提出结构设计优化建议。
(1)围墙开裂。分析原因:新填土4m高,围墙距离护坡边仅1m,施工工期较紧,施工单位无法用大型机械分层碾压,填土密实度达不到设计要求。解决措施:①围墙基础选用刚性较大条形基础,防止不均匀沉降,此方案施工较快,造价便宜。②选用换填处理或水泥搅拌桩加固围墙基础下新填土,减小不均匀沉降量,此方案施工周期较长,造价偏贵。综上所述,本工程选用第一种解决措施。
(2)运用库库内柱式检查坑,轨道下混凝土短柱出现偏柱、歪柱等现象。分析原因:短柱设计由结构和轨道两个专业,施工也分别由两家单位施工。解决措施:①混凝土短柱设计为钢柱,直接安装。②混凝土短柱由一家施工单位施工。建议日后设计采用第一种解决措施。
(3)人行天桥柱下管桩无法施工。分析原因:人行天桥跨轨道设置,场地内轨道区域下被地路专业设计水泥搅拌桩加固。解决措施:①天桥柱下基础改为钻孔灌注桩;②检验水泥搅拌桩加固后地基承载力,如不够采用,采用CFG桩加固后采用柱下独立基础。结合现场工期需要,本工程采用钻孔灌注桩基础方案。
综上所述,结构设计时,充分运用结构设计难点分析结果,指导结构设计;配合施工时,遇到以上问题,经分析原因,采取我们选用的处理措施,得到明显改善效果,保质保量,按时完成土建施工。目前,本工程已投入使用2年,没有出现任何问题,得到业主单位一致认可。
(1)运用库库房内轨道道床为无砟整体现浇道床,对基础沉降极其严格,铁路规范要求控制在20mm以内,如果道床下地质情况不好,建议采用预应力混凝土管桩桩筏基础。
(2)运用库为一层钢结构工业厂房,采用何种结构形式,需根据结构计算和经济比较。结合本工程实例,试算比较后,得出如下经验:柱跨28m,采用混凝土柱+钢梁排架结构和钢梁钢柱门式刚架结构较经济,综合考虑施工工期,选钢梁钢柱门式刚架较适用。
(3)刚架梁梁连接节点设计时,综合考虑各种因素,高强螺栓群计算中和轴宜选端板形心。
(4)场地平整有大量新填土,新填土下有较厚的淤泥和淤泥质土,计算单桩承载力时一定要考虑桩侧负摩阻力。
(5)结合配合施工中的问题,建议结构设计时改进以下措施:①场地内高填方区围墙应做刚性较大的条形基础,以避免围墙不均匀沉降开裂;②运用库库内柱式检查坑,轨道下混凝土短柱出现偏柱、歪柱等现象,影响传力和结构安全,建议混凝土短柱设计为钢柱,直接安装即可;③被其他专业加固的场地区域,柱下基础结构设计时,建议选用钻孔灌注桩。
近几年,国家大规模发展城市轨道交通,相应的车辆基地和停车场结构设计项目越来越多。本文针对实例工程,总结了停车场建筑单体结构设计要点,分析了结构设计难点和配合施工中的问题,提出了结构设计改进建议,可供相似工程参考。
[1]郭陕云,万姜林.我国地铁建设概况及修建技术[J].现代隧道技术,2004,(4):25~30.
[2]高莉萍.北京地铁八通线土桥车辆段停车列检库工艺设计[J].都市快轨交通,2005,(4):103~107.
[3]武江虹,郑瑞武,盛碧华.北京地铁5号线太平庄车辆段设计[J].铁道标准设计,2007,(10):104~109.
[4]肖俊.浅谈夏南车辆段列检库检查坑优化设计[J].铁道勘察与设计,2009,(02):214~217.
[5]乔艺.地铁车辆段与停车场建筑规划与设计[J].城市建设理论研究,2013,(10):364~368.
[6]朱蓓玲.对地铁车辆段及停车场布点的认识[J].铁道工程学报,1998,(03):124~128.
[7]GB50223-2008.建筑工程抗震设防分类标准[S].
[8]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].
[9]王素芳,陈以一.端板连接高强度螺栓群中和轴位置研究[J].建筑科学与工程学报,2005,(9):45~54.