钢-混凝土组合结构技术在大跨无柱车站中的应用研究*

胡清茂 庄亮东 张晓光,3

(1.徐州地铁集团有限公司, 江苏徐州 221000; 2.清华大学土木工程系, 北京 100084; 3.广州地铁设计研究院股份有限公司, 广州 510010)

0 引 言

21世纪以来,随着经济的飞速发展和城市化进程的加快,我国轨道交通进入了高速发展阶段,运营里程呈爆发式增长,开通轨道交通的城市数量逐年增加[1]。随着轨道交通建设规模的不断扩大,对车站使用功能的要求也不断提升,更大的跨度、更宽敞的空间、更舒适的乘坐感成为人民群众的要求。

无柱车站具有空间通透、视野开阔、客流顺畅等优点,近年来在上海、广州、深圳等城市的多条轨道交通线路均有采用[2-3]。从结构设计的角度分析,无柱车站在公共区不设柱,跨度较大,且上部承担较大的覆土荷载,顶板内力和变形都较大,因此顶板结构形式的选择是无柱车站结构设计的重点[4]。广州地铁二号线二宫车站无柱区顶板采用现浇横向斜推刚构的框架结构体系[5]。林伟波依托广州地铁11号线工程,采用有限元分析方法研究了顶板加腋式大跨无柱地铁车站在正常工况下顶板的受力性能和地震作用下车站的响应特性[6]。杨成蛟等结合沈阳地铁3号线一期工程,对明挖无柱拱形地铁车站的结构形式进行了力学性能、建筑空间、管线综合等多方面的研究[7-8]。袁文对采用变截面顶板和拱形顶板的大跨无柱车站在动、静荷载作用下的力学行为展开研究[9]。宋冉等通过建立整体计算模型,研究装配式拱形顶板大跨无柱地下车站的变形和内力情况[10]。高伟等对上海轨道交通15号线上海南站站拱形大跨无柱车站在不同覆土条件下的整体受力特性进行了对比分析[11]。朱坤朋结合济南地铁某车站工程对拱形地铁车站站台层设柱与不设柱方案进行了受力对比分析[12]。孙菲提出等弧拱形地铁车站、圆角拱形地铁车站和直角拱形地铁车站三种结构形式,采用有限元分析方法对三种装配式拱形顶板车站结构进行对比研究[13]。

根据上述文献调研的结果,无柱车站常采用的顶板结构形式有密肋梁、变截面板、预应力钢筋混凝土箱梁、拱形顶板等。密肋梁方案、预应力方案和拱形顶板方案施工难度较大,变截面板方案能够较好地利用空间,同时施工相对简便,成为无柱车站实际应用时最常采用的结构方案。但变截面板方案需加厚侧墙结构,使用空间减少、结构自重增大,且工程造价较高。

钢-混凝土组合结构可充分发挥钢材与混凝土的力学性能,材料利用率更高,构件截面尺寸更小,可明显减轻结构自重,增加建筑空间,在大跨重载顶板结构中具有较为明显的优势,且得到了广泛的应用[14],同时,钢-混凝土组合结构在施工时可利用钢梁作为混凝土板施工的支撑,明显减少混凝土施工时的支撑工程量,缩短施工周期。因此,该结构体系在无柱车站中也具有较大的潜力,然而目前将钢-混凝土组合结构体系与无柱车站结合的研究还比较少,缺乏相应的理论分析和建模计算验证该结构体系在无柱车站中应用的可行性。

针对上述现状,本文依托徐州市轨道交通3号线南三环车站工程,针对该车站的大跨无柱换乘节点结构,提出钢-混凝土组合结构方案,与原变截面混凝土大板方案进行对比,从结构自重、构件尺寸、受力性能、施工速度等方面分析钢-混凝土组合结构方案的优势,并建立无柱车站换乘节点的整体有限元模型,研究整体结构在典型荷载工况下的受力性能和关键构件的受力状态,结合有限元分析结果给出该结构体系的设计建议,为钢-混凝土组合结构在类似大跨无柱车站的应用提供参考。

1 工程概况

徐州市轨道交通3号线南三环车站是国内罕见的采用无柱换乘形式并与市政下穿隧道耦合设计的轨道交通车站。图1～3分别为南三环车站的纵、横断面示意和平面。车站纵向上部设有北京路下穿隧道,车站范围内下穿道与车站站厅层顶板同宽共板建设。南三环站同时还是地铁3号线和4号线的“T”形换乘车站,受建设条件控制,选用12 m大跨无柱站台的结构形式,车站结构净宽约为21 m(图2);为满足客流换乘需求,拟抽去站厅层的部分结构柱和侧墙结构,跨度将达到36 m(图3)。

图1 南三环车站纵断面

图2 南三环车站结构横断面示意 m

图3 南三环车站平面 mm

车站结构顶板承受较大的覆土荷载,同时城市道路以及市政下穿隧道的通行车辆对车站结构的受力也会产生较大影响。

2 结构方案

徐州市南三环站为地下两层岛式车站,站台宽度为12 m,车站结构净宽度为21.1 m(图2),标准段采用无柱单跨箱形框架结构。

原方案中换乘节点(即大跨纵梁所在区域,下同)隧道层和站厅层顶板均为变截面混凝土大板,如图4所示。隧道层顶板腋角高3.2 m、长1 m,跨中高1.2 m;站厅层顶板腋角高2.3 m、长0.8 m,跨中高1.1 m。顶板均采用C35级混凝土。换乘节点柱间纵梁采用型钢混凝土梁,与两侧结构柱刚接。纵梁截面尺寸如图5和表1所示。

表1 混凝土大板方案纵梁截面尺寸

a—下穿隧道层顶板结构布置方案; b—车站站厅层顶板结构布置方案; c—结构断面示意。

图5 混凝土大板方案纵梁截面示意

新方案中顶板采用单向钢-混凝土组合楼盖的结构形式,如图6所示。横梁跨度20.3 m,采用Q355-C级工字梁,间距2 m,两端铰接,梁高分别为950 mm和850 mm;楼板采用C35级混凝土,板厚250 mm。换乘节点柱间纵梁采用开口箱梁,与两侧结构柱刚接,一侧纵梁跨度为36 m,另一侧纵梁跨度为26 m。横梁和纵梁截面设计结果如图7和表2所示。

表2 组合结构方案梁截面尺寸

a—下穿隧道层顶板结构布置方案; b—车站站厅层顶板结构布置方案; c—结构断面示意。

a—横梁; b—纵梁。btf为型钢上翼缘宽度;ttf为型钢上翼缘厚度;tw为型钢腹板厚度;bbf为型钢下翼缘宽度;tbf为型钢下翼缘厚度;hs为型钢高度;hc为混凝土板厚度。

顶板区域与纵梁铰接可以减小纵梁所受扭矩作用,原方案顶板和纵梁均为混凝土构件,铰接难以实现。

与原变截面板方案相比,采用组合结构楼盖能够显著减轻结构自重、节约建筑空间,经济效益显著。同时,柱间纵梁由型钢混凝土梁改为箱形钢-混凝土组合梁,虽用钢量有所增加,但无须钢筋绑扎,极大简化了构造和施工。两方案中顶板和纵梁主要指标对比列于表3中。

表3 方案对比

3 建立计算模型

3.1 整体模型

采用有限元分析软件MIDAS Gen 2021建立换乘节点结构两个方案的三维计算模型。

换乘节点纵梁对周边结构的受力状态具有一定的影响,距离换乘节点区域越近,所受影响越大。为了兼顾计算的可靠性与高效性,模型纵向长度取为54 m,如图8所示。36 m跨纵梁距两端分别为11 m和7 m,26 m跨纵梁距两端分别为5 m和23 m,此时,纵梁对模型端部构件的影响已十分微弱。

a—变截面板方案; b—组合结构方案。

变截面板方案结构柱和纵梁采用梁单元建模,侧墙采用板单元建模。楼盖混凝土大板采用250 mm厚板单元和变截面梁单元建模,通过共节点的板单元和梁单元模拟顶板的整体性。

组合结构方案结构柱、横梁和纵梁均采用梁单元建模。楼盖混凝土板和侧墙采用板单元建模。

3.2 材料参数

材料标号与设计标号一致,直接从MIDAS Gen软件数据库中选择相应的标准与材料。混凝土材料参考GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》,钢材参考GB 50017—2017《钢结构设计标准》。

3.3 边界条件

1)设置截面偏心模拟实际构件的相对位置关系;

2)组合结构方案在横梁和楼盖混凝土板两端释放约束,模拟铰接的边界条件;

3)3号线站台层未抽去结构柱和侧墙结构(图3),可认为站厅层底部为固定约束[15],建立一般支承约束其转动和平动自由度。

3.4 荷载条件

隧道层和站厅层顶板均承受较大的荷载。根据CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范》和GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》,顶板恒荷载设计值取为40 kN/m2,顶板等效均布活荷载设计值取为20 kN/m2;底板恒荷载设计值取为20 kN/m2,底板等效均布活荷载设计值取为30 kN/m2。此外,隧道层纵梁间的侧墙采用仅承受水土压力的构造墙,不参与竖向抗弯,等效为线荷载。计算荷载如表4所示。

表4 结构计算荷载

结构重要性系数取1.1,基本荷载组合下恒荷载分项系数为1.3,活荷载分项系数为1.5。

4 计算结果分析

4.1 结构变形

图9为换乘节点结构变形云图。

a—变截面板方案; b—组合结构方案。

两方案结构整体变形情况相近。结构变形以竖向变形为主,表现为隧道层、站厅层顶板和两侧纵梁的向下变形,其中隧道层顶板变形相对较大。在换乘节点处两侧的大跨纵梁具有不对称性,跨度较大一侧纵梁竖向变形较大,楼板变形也向该侧略有倾斜。隧道层顶板中部为结构变形最大处。

两方案主要构件的跨中挠度对比如表5所示。变截面板方案整体刚度较大,变形情况较好,但混凝土结构对抗裂性要求较高,挠跨比限值较小。

表5 主要构件变形

4.2 构件受力状态

4.2.1板单元应力分析

图10反映隧道层、站厅层顶板混凝土板和侧墙混凝土板的应力情况。

a—变截面板方案; b—组合结构方案。

侧墙整体应力水平较小。顶板中部压应力最大,随着与纵梁所在区域距离的增加,应力水平逐渐减小。两方案在顶板与结构柱相接处具有较大的拉应力,但组合结构方案可明显缓解应力集中现象,角部混凝土最大主应力由34.3 MPa降为22.8 MPa。

4.2.2梁单元内力分析

图11、图12分别为变截面板方案和组合结构方案顶板横梁、大跨纵梁和结构柱内力。表6为结构主要构件在基本荷载组合下的部分内力值。

表6 主要构件内力

a—弯矩,kN·m; b—轴力,kN; c—剪力,kN; d—扭矩,kN·m。

a—弯矩,kN·m; b—轴力,kN; c—剪力,kN; d—扭矩,kN·m。

首先对活荷载各种不利状况进行分析,结果显示,活荷载分布对结构整体受力情况无明显影响。

两方案中纵梁和结构柱的受力情况类似,均处于压(拉)弯剪扭复合受力状态,跨度大的纵梁受力

状况更不利。纵梁支座处受负弯矩、剪力、扭矩控制,跨中主要受正弯矩控制。结构柱压力起到控制作用,站厅层柱轴力明显大于隧道层柱轴力。

通过数值分析可以看出,铰接边界条件使组合结构纵梁的受力得到优化:1)轴力和支座处剪力、扭矩明显降低,即四道大跨纵梁轴力减小70%～90%,剪力减小20%～30%,扭矩减小40%～70%。2)支座负弯矩增大、跨中正弯矩减小,正、负弯矩数值相近,构件弯矩分布更合理,即纵梁跨中正弯矩与支座负弯矩的比值分别由0.3、0.4增大至0.7、0.9。

两条线路斜交钝角处横梁的受力状况最不利,需做加强处理。边界条件的改变也优化了组合结构方案横梁的受力:1)整体分布较为均匀,不同位置横梁内力相近。2)无扭矩、梁端负弯矩作用,跨中正弯矩、剪力减小。

5 结 论

依托徐州市轨道交通3号线南三环站项目,针对该车站换乘节点结构,提出钢-混凝土组合结构方案,与原变截面混凝土大板方案进行对比,并借助有限元软件,对结构受力性能进行分析研究,得到以下结论:

1)提出的组合结构方案实现了对换乘节点结构优化的目的,与原变截面混凝土大板方案相比,顶板结构自重减轻约80%、原腋角处梁高降低约60%、纵梁梁高降低10%～20%,且钢梁可用作混凝土浇筑的模板,简化施工工序。

2)结构变形以竖向变形为主,隧道层和站厅层顶板中部应力和变形较大。组合结构方案整体变形较原方案大,但抗裂要求低。

3)两条地铁线路斜交,换乘节点结构受力和变形具有不对称性。随着纵梁跨度的增大,内力和变形都相应增大。

4)与原方案相比,组合结构方案能够缓解混凝土板应力集中现象,最大主应力由34.3 MPa降为22.8 MPa,并且明显优化了大跨纵梁和横梁的受力,轴力、剪力、扭矩减小,弯矩分布更合理。

5)纵梁和结构柱是结构中关键的受力部位,均处于复合受力状态,是换乘节点结构设计的重点和难点。