下穿T2航站楼天府机场高铁站转换厚板结构选型

刘 曦 杨孟根 高夕良

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

1 工程概况

成都至自贡客运专线天府机场高铁站依次下穿新建天府国际机场T1、T2航站楼，高架桥，T1、T2停车楼、综合换乘中心GTC，成都地铁13、18号线，综合管廊等建构筑物，实现交通上的“零换乘”，车站及咽喉区间隧道线路与上部结构整体平面斜交成55°。车站总长 1 613 m，分为车站主体部分和两端咽喉区间部分。车站主体为地下二层双岛六线式，总长 517.2 m，标准段净宽67.4 m，有效站台长450 m，车站咽喉区间大里程段全长550.8 m，小里程段全长545 m。其中大里程段区间位于T2航站楼正下方，平面空间互相交叉，对高速铁路车站咽喉区间顶板转换结构提出了较大的挑战。

近年来，对于下穿机场的研究主要集中在铁路隧道下穿机场滑行道及其他构筑物变形方面[1-7]，对高速铁路区间隧道下穿航站楼的研究很少。本文针对咽喉区间隧道下穿T2航站楼转换上部结构的断面方案选型进行研究，以期为其它类似项目提供借鉴。

2 结构方案

大里程咽喉区间结构平面呈喇叭口，宽度沿线路逐渐缩小，由5孔(净宽65.9 m)逐减变为单孔(净宽15.3 m)，单孔最大跨度22 m，区间端头与马蹄形隧道相连。区间顶板上部框架柱数量多，柱底荷载大，其中T2航站楼钢结构屋盖钢管框架柱最大轴力标准值 28 700 kN，且区间同一断面内各跨框架柱荷载大小、数量及位置各不相同。

借鉴复杂高层建筑结构设计案例及相关工程经验[8-11]，结构形式可采用转换梁(型钢梁)、转换厚板、转换桁架、箱型转换等。转换梁因跨度和挠度均较大，且上部结构柱网不规则(局部区域柱网为弧形)，而咽喉区间结构平面为喇叭口型，故布置转换梁不合适。根据地下结构受力特点，结合工程实际，区间隧道结构顶板采用转换厚板较为合理。

因咽喉区间结构上部框架柱分布位置及荷载大小不同，方案需考虑荷载不利位置(弯矩或剪力最大的位置)，同时应满足剪压比限值、抗冲切计算及抗剪切计算。转换厚板分别对直墙平顶圆拱断面方案与直墙圆拱断面方案进行对比分析。直墙平顶圆拱断面方案顶板内侧为圆拱，顶板顶为平面，实际受力特点为加腋梁的特性。直墙圆拱断面方案实际受力特性以拱的特性为主。

3 受力分析

本段咽喉区间为明挖区间，基坑支护方式为放坡开挖及围护桩+锚索防护，底板持力层为中等风化泥岩、砂岩。结构计算截面尺寸：底板厚1.8 m(设置抗拔桩)，侧墙厚2 m(侧墙高度13.5～15.5 m)，中隔墙厚1 m，顶板厚2.5～2.8 m。底板位于地下-25 m，混凝土采用C45。受到上部结构制约，区间顶板标高由航站楼上部结构建筑使用要求确定，顶板拱弧线为由侧墙顶点、中隔墙顶点及顶板中点形成的圆弧形。

采用MIDAS/GEN建立实体单元模型进行受力分析，为接近工程实际，取一40 m长的施工段建模。上部基础荷载(11 000 kN)采用均布荷载施加于实体单元节点上(考虑结构基础的扩散作用)，作用于模型平面中部(20 m处)，顶板同时施加10 m覆土土压力、超载20 kN/m2及自身自重。采用弹簧支座模拟边界约束及抗拔桩，弹簧刚度根据地质勘查的基床系数赋予，土压力及水压力荷载施加于底板和侧墙。为利于施加荷载及结构分析，采用结构的垂直方向与全局坐标系的Z轴平行建模。区间断面建模示意如图1所示。本文针对中间孔最大跨的应力结果进行方案比较分析。

图1 区间断面(建模)示意图(mm)

3.1 直墙平顶圆拱断面方案

直墙平顶圆拱断面在上部结构荷载及覆土压力荷载作用下的最大主应力如图2所示。中间孔跨度约13 m，从应力分布上看，厚板呈现单向板受力状态，截面受力类似于加腋梁的受力状态，中间孔跨底部及支座顶部受拉。

图2 直墙平顶圆拱断面在上部结构荷载及覆土压力荷载作用下的最大主应力图

荷载作用下直墙平顶圆拱断面X轴轴向应力如图3所示。

图3 荷载作用下直墙平顶圆拱断面X轴轴向应力图

从图3可以看出，中间跨顶部支座受拉区宽度约占单孔跨度(13 m)的26%，底部受拉区宽度约占单孔跨度(13 m)的26%，结构断面上受拉区竖向分布占整体板厚的30%。

结合MIDAS/GEN的计算结果，汇总中间孔应力及变形数据如表1所示。

表1 直墙平顶圆拱断面应力分析表

表1中，Y轴向应力是整个区间结构纵向应力(即垂直于线路方向)的体现。在整个顶板平面范围内，上部结构基础荷载在顶板纵向上有一定的影响范围，设计时需确定具体的加强范围。

3.2 直墙圆拱断面方案

直墙圆拱断面方案与直墙平顶圆拱断面方案在同样约束条件、同等荷载的情况下建模。其在上部结构荷载及覆土压力荷载作用下的最大主应力如图4所示，X轴轴向应力如图5所示。结合MIDAS/GEN的计算结果，汇总中间孔应力及变形数据如表2所示。

图4 直墙圆拱断面在上部结构荷载及覆土压力荷载作用下的最大主应力图

表2 直墙圆拱断面应力分析表

结合图4、图5和表2可知，直墙圆拱断面方案中间孔顶部均呈现全跨压应力状态，底部受拉区宽度约占单孔跨度(13 m)的25%，结构断面上受拉区竖向分布仅占整体板厚的30%。

图5 荷载作用下直墙圆拱断面X轴轴向应力图

对比两个方案的应力分析结果，可以看出：

(1)直墙平顶圆拱断面方案在跨中底部的拉应力比直墙圆拱断面方案大38.3%，即同样断面厚度的情况下，直墙平顶圆拱断面方案跨中底部受拉明显。

(2)直墙平顶圆拱断面方案支座顶部出现拉应力，直墙圆拱断面方案支座顶部为压应力，即在同样断面厚度的情况下，直墙平顶圆拱断面方案支座顶部受拉明显。

(3)直墙圆拱断面方案的拱效应较直墙平顶圆拱断面方案明显，更有利于受力，在上部转换柱荷载作用范围内，顶板95%的截面高度范围均参与抗压，更能充分发挥混凝土的抗压优势。但与此同时，因拱形断面将上部荷载转化为对中隔墙及侧墙的水平推力，直墙圆拱断面方案中隔墙剪应力较直墙平顶圆拱断面方案大，约大于直墙平顶圆拱断面方案剪应力的25%，对竖向构件不利。

(4)两种方案在弹性位移方面相差不大，刚度相当。

总体来说，两种方案应力相当，刚度相当。直墙平顶圆拱断面方案支座顶部有拉应力，直墙圆拱断面方案无拉应力。直墙圆拱断面方案混凝土受压利用得更充分，弯矩转化为轴力更多，拱效应更明显。但从结构概念来说，直墙平顶圆拱断面方案顶板支座节点有加强，更符合“强节点”的抗震设计概念，且本项目顶板上有较多的航站楼结构基础，基础底部需安装隔振支座，顶板拉平利于上部结构基础施工，也利于顶板结构钢筋绑扎和外包防水卷材施工。综合上述因素，最终采用直墙平顶圆拱断面方案进行设计。

4 实体单元应力配筋

本工程截面厚度较大，实体单元应力配筋采用杆系单元模拟与实际受力状态存在较大差别，因此,在采用平面杆系单元断面设计的同时，以实体单元分析作为补充校核。

根据SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》[12]第3.1.3条规定，可依据有限元软件分析结果进行承载力和正常使用条件的配筋计算和验算。由弹性力学分析方法求得截面的应力图形面积确定配筋数量，按应力图形面积计算配筋的公式为：

(1)

式中：K——安全系数，取1.35；

T——钢筋承担的拉力；

B——梁宽(m)；

fy——钢筋抗拉设计强度(MPa)。

针对非杆件体系的钢筋混凝土结构裂缝控制问题，SL 191-2008《水工混凝土结构设计规范》提出了采用限制钢筋应力的方式对裂缝进行控制：

σsk≤αsfyk

(2)

式中：fyk——钢筋屈服强度标准值,MPa；

αs——考虑环境影响和荷载长期作用的综合影响系数，取值范围0.5～0.7，对一类环境取大值，对四类环境取小值。

根据以上要求，对实体单元进行裂缝配筋，控制钢筋最大应力来控制裂缝，当弹性应力图形的受拉区高度小于结构截面高度的2/3且截面边缘最大拉应力不大于0.45ftk时，仅配置构造钢筋。对比SL 191-2008《水工混凝土结构设计规范》和GB 5001-2010《混凝土结构设计规范》[13]的裂缝计算公式，再次计算裂缝，同等条件下若达到同样的裂缝宽度，水工规范需增加钢筋面积。

根据配筋量及钢筋间距要求，配筋量较大处采用并筋的布置方式。由于拱轴力的作用明显，截面配筋按压弯构件计算承载力及裂缝。配筋设计时,在顶板高度范围内按一定间距配置钢筋网片可从构造上缓解大体积混凝土温度收缩的影响，同时提高截面抗剪承载力。

5 结束语

本文通过对区间隧道顶板转换结构选型的分析，得出以下结论：

(1)在大跨度转换集中荷载下，直墙平顶圆拱结构受力更合理，可优先选用。

(2)在满足工程耐久性设计前提下，可适当提高混凝土强度等级来提高厚板抗冲切、抗剪切及抗弯承载力。但本工程截面尺寸较大，影响在施工及设计时，需采取相应的措施来控制大体积混凝土温度应力的影响。

(3)直墙平顶圆拱结构在控制结构承载力、裂缝、挠度时更易满足规范要求。

(4)转换厚板呈现三向受力状态，配筋设计时应根据应力配置钢筋，并在剪应力较大处设置单肢箍。