西安火车站东配楼地铁上盖结构设计

郭 东

(中国建筑西北设计研究院有限公司，西安 710018)

1 工程概况

西安火车站东配楼是西安站改扩建工程中的一座新建建筑,位于西安火车站北侧偏东,西侧毗邻新建西安北站房,南侧为扩建车站站台区,北侧为车站北广场区。扩建后东配楼、北站房与大明宫丹凤门整体呈品字形关系,通过北广场连接,形成新西安站整体融合效果,建筑效果见图1。

图1 建筑效果图

东配楼东西长约216m,南北宽约48m,纵向主要柱距为9.0、10.8m,横向主要柱距为9.0、12.0m。建筑为地下3层(东侧地铁4号线通过上方为局部地下2层),地上7层(局部5层)。地上1～3层主要功能为商业及展厅,同时兼顾车站疏散的作用,地上4层及以上为公寓,中间屋面为钢结构屋盖;地下3层为地铁4号线换乘大厅,其他地下部分为车库及车站辅助用房。

已开通地铁4号线隧道从东配楼东侧地下斜向穿过。地铁范围内一部分区域为预留4号线车站站厅及辅助用房,另外一部分为连接规划地铁7号线的换乘通道,车站在换乘通道下方。东配楼东侧地下室约一半空间在地铁隧道、换乘通道及车站上方建设。本项目与地铁平面关系见图2。地裂缝f3沿东配楼北侧纵向分布,基础要避让地裂缝。

图2 项目与地铁平面关系

本工程设计使用年限为50年,建筑安全等级为二级,抗震设防烈度为8度,抗震设防类别为乙类[1],建筑场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第二组,特征周期为0.40s,基本地震加速度值为0.20g。项目建设场地抗浮设防水位高程为400.0m,约为建筑地坪以下4.0m。

2 地铁上盖结构体系

本工程地上整体呈矩形,由防震缝分为三个结构单元,分别为中间部分、西侧部分和东侧部分,每个结构单元均选取地下室顶板作为嵌固端,且地下室结构不设缝。受地铁影响的部分主要为东侧部分及对应地下室相关范围。

为保证已运营下穿地铁4号线线路安全,同时满足主体结构传力明确、可靠,上部结构通过设置转换构件使隧道主体和上部结构在受力体系上分开[2]。地铁4号线隧道左侧框架柱落于桩筏基础上,右侧框架柱伸至地铁车站和连接7号线通道主体,基础为桩筏基础。地铁上盖结构剖面示意见图3。

图3 地铁上盖剖面示意图

2.1 地上主体结构

东侧部分为地上5层,屋面结构标高为22.410m,采用多层钢筋混凝土框架结构,正交轴网柱距为9.0m和12m,典型结构平面见图4。其中,为了避让地裂缝,北侧Ⓕ轴有4个框架柱不能直接落地,～轴共有8个框架柱在地铁4号线隧道正上方。

图4 地上东侧部分典型结构平面图

2.2 地下室转换结构

东侧部分地上建筑功能为商业及公寓,且布置有较多的出入口,地上设置转换构件会对建筑使用功能及空间流线造成较大的影响,而地下室部分为两层,主要功能为停车库,布置转换构件对建筑功能影响较小,所以结构转换构件主要在地下室范围布置。转换构件布置平面见图5。

图5 地下转换构件布置平面图

图6 轴线转换梁

图7 轴桁架

图8 、轴转换桁架

2.2.4 避让地裂缝斜柱转换

f3地裂缝斜向穿过东配楼西北角后又沿建筑纵向内凹分布,本工程基础均位于地裂缝上盘区。按《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》(DBJ 61-6-2006)[4]及本工程避让地裂缝专家评审意见,基础按三类建筑避让地裂缝。东侧部分受地裂缝影响的4个框架柱及地下室外墙基础避让地裂缝距离不小于8.0m,所以桩筏基础内收布置,框架柱在地下室采用斜柱转换,结构布置见图9。

图9 结构避让地裂缝斜柱

3 结构计算

3.1 主体结构计算

主体结构采用YJK软件进行整体建模计算,并采用有限元软件MIDAS Building对转换桁架进行复核。桁架及整体计算模型如图10所示。整体计算结果见表1。

表1 整体结构计算结果

图10 桁架及整体计算模型

3.2 转换构件计算

转换构件主要尺寸及如表2所示。转换桁架跨度大,荷载组合主要由恒载控制,构件变形过大或丧失承载力后对下部地铁隧道影响很大,设计时应考虑竖向地震作用影响。转换桁架两端转换柱竖向及水平剪力较大,同时引起与转换柱连接的框架梁梁端弯矩突变,为了分散传至基础的竖向力及减小与转换柱连接的框架梁梁端弯矩,转换柱两侧尽量布置钢筋混凝土墙体,按照组合截面进行整体抗弯设计。东侧部分地下室楼板和顶板与转换梁协同工作,靠近转换桁架处的楼板承受较大的水平力,设计时地下室楼板适加厚,取值为150mm,配筋率不小于0.25%。

表2 转换桁架截面

图11 轴转换梁计算模型及配筋截面

受剪截面条件满足:

正截面抗弯承载力满足:

M≤fyAs(0.80+0.04l0/h)(h0-0.5x)

斜截面抗剪承载力满足:

式中:V为梁斜截面上的最大剪力设计值;M为正截面弯矩设计值;l0为计算跨度;b为梁宽度;h、h0分别为梁截面高度、梁截面有效高度;βc为混凝土强度影响系数;fc为混凝土轴心抗压强度设计值;fy为钢筋抗拉强度设计值;As为受拉区普通钢筋截面面积;x为截面受压区高度;λ为计算剪跨比;fyv、fyh分别为水平、竖向钢筋抗拉强度设计值;Asv、Ash分别为配置在同一水平、竖向截面内的分布钢筋的全部截面面积;sh、sv分别为水平、竖向分布钢筋的间距。

同时转换梁腹板兼做地下室外墙,按照两端简支板验算腹板配筋,并符合《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[5]深受弯构件水平分布筋及竖向分布筋的配筋率。

3.2.2 转换桁架承载力计算

一般楼板参与整体计算有四种类型:刚性板、弹性板6、弹性膜、不考虑楼板[6]。指定刚性板时,不能得出与楼板连接的弦杆轴力;楼板为弹性膜和弹性板6,可以真实反映楼板的平面内刚度,与不考虑楼板作用相比,楼板可以分担部分弦杆的轴力。

表3 轴桁架斜杆内力及挠度计算

表3 轴桁架斜杆内力及挠度计算

构件编号弹性膜不考虑楼板Nmax/kNNmin/kNNmax/kNNmin/kN17 7814 6097 8324 5812-5 664-9 458-5 649-9 5253-4 589-8 005-4 446-7 93845 1403 1325 1993 15052 5061 2652 4001 1436-1 352-2 410-1 468-2 618

图12 桁架弦杆内力示意图

通过计算发现,楼板为弹性板或弹性膜计算出的斜杆轴力包络值近似相同;表3中,楼板按弹性板模拟时,弦杆弯矩包络值较小,与按弹性膜模拟结果最大相差约25%(局部杆件轴力在杆间变号);楼板按弹性膜计算时,同一弦杆轴力包络值变化较大,计算不能真实反映楼板对弦杆轴力的贡献程度。

本工程主要转换桁架位于地下室范围,上弦杆受压作用明显,下弦杆与基础防水板连接,同时考虑节点连接简单、施工的便利性,弦杆均为型钢混凝土构件,受力的变化对弦杆截面及配筋设计不明显,在进行转换桁架设计时,按考虑楼板与不考虑楼板作用进行包络设计。此外,受地铁施工次序影响,桁架上部主体结构有可能无法同时施工,所以不考虑上部主体结构竖向刚度对桁架进行复核:转换桁架上部框架梁全部按铰接考虑,楼板按照弹性板6考虑,不考虑竖向地震作用,结果满足设计要求。

4 基础部分设计

东侧部分基底标高为-8.80m,基底持力层为软弱黄土,其承载力低、压缩性大,物理力学指标见表4。

表4 土层物理力学指标

此部分基础近邻地铁隧道,而且一部分主体落于地铁通道及车站上方,基础交接面多,标高关系复杂。另外,受地铁隧道和地裂缝的双重影响,上部主体结构存在较多转换柱或斜撑,对应柱底或斜撑底部内力较大,柱间荷载分布不均匀,而且东侧两跨框架柱落在地铁通道及车站结构上部,为了满足承载力设计要求及减小基础不均匀沉降,实现与地铁隧道“脱开”的传力体系,基础采用“桩+筏板”及“桩+承台+防水板”的复合形式,基础平面及剖面分别如图13、14所示。

图13 基础平面图

图14 基础剖面示意图

桩采取摩擦型灌注桩,桩径800mm,桩长36m,桩端持力层在粉质黏土层,按《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[7]估算单桩承载力特征值为3 850kN。为了减小灌注桩施工对地铁隧道的影响,灌注桩在地铁隧道3.0m外区域布置。

地铁隧道西侧施工场地狭小,且存在地铁穿插施工,同时为减小桩基施工时对地铁隧道的影响,工程桩试桩及桩基检测采用基桩自平衡静载试验[8]方法。东侧部分桩基三组试桩的平均承载力标准值为4 384kN,大于估算值。由于地铁基坑比东侧部分基坑深,地铁基坑继续开挖对东侧部分基桩承载力有一定影响,且为了保证桩端和中间部分的桩端在同一标高,所以东侧部分基础仍按估算值布桩。

5 节点设计

图15 桁架平面外连接

(2)地铁4号线隧道上方为防水板,转换桁架下弦作为防水板的支座条件。为了使桁架在施工期间竖向变形不通过防水板传递至地铁隧道上方的土体,但又能够满足正常使用时抗浮要求,防水板与桁架下弦预留变形空间,主体结构完成后采用素混凝土填充,做法如图16所示。

图16 桁架底部与防水板连接

6 对地铁隧道的保护措施

东配楼下穿地铁4号线为已运行线路,东配楼和下方连接7号线的地铁通道施工时基坑坑底标高分别为-9.0m和-12.70m,距离地铁隧道顶部分别约为4.6m和0.9m,如图17所示。坑底土层为软黄土,基坑开挖及降水会引起土层变形,对地铁隧道产生不利影响。所以,在本工程的设计施工过程中,采用相应的措施来确保地铁的安全和正常运营[10]。具体包括:基坑分区开挖卸载和坑内加固。

图17 基坑与地铁隧道剖面关系

6.1 基坑分区开挖卸载

针对地铁4号线隧道走向,结合东侧部分结构及地铁车站结构布置,将基坑开挖分两步进行。首先,开挖地铁通道以外基坑并进行坑内加固,施工至地下室顶板,然后,开挖地铁通道基坑并施工上部结构,减小一次性大体量卸载对地铁隧道产生不利影响。

6.2 坑内加固

东侧部分基坑坑底及地铁4号线隧道周围分布的主要土层为软黄土层,厚度约10m,其承载力低、压缩性大、含水率高,易受扰动。为控制基坑变形、保护地铁隧道,对地铁隧道进行坑内加固,具体措施如下。

(1)地铁通道区域:该区域基坑距离地铁隧道最近,且隧道为盾构法施工,为坑内土体卸载的最不利处。此区域在隧道两侧采用4.0m宽的搅拌桩加固土体,并在隧道区间变形缝顶部设置抗隆起拉梁,如图18所示。

图18 地铁通道区域坑内加固示意图

(2)地铁通道以外区域:此区域基坑先开挖,基坑开挖后地铁隧道顶仍保留约4.6m厚的覆土,且隧道为明挖整浇法施工,还存在一处施工竖井,相对地铁通道区域,此部分基坑开挖对地铁周边土体扰动较小,且竖井周围密布支护桩及止水帷幕,对隧道两侧土体具有约束作用。所以,此区域仅在隧道顶部设抗隆起拉梁,拉梁与防水板形成满堂加固措施,隧道顶部的土体为约束土体,能够保证施工期间地铁隧道的稳定,如图19所示。

图19 地铁通道以外区域坑内加固示意图

图20为本工程施工过程图。对基坑及地铁进行实时监测,各项制表正常,地铁运行安全、平稳。

图20 施工过程图

7 结语

(1)地铁4号线上盖西安站东配楼,为保证地铁运营安全,同时使主体结构传力明确、可靠,提出了结构技术解决方案:上部结构采用转换的结构形式,使地铁隧道上方框架柱与地铁隧道在受力体系上脱开,转换柱下桩基础在地铁隧道两侧3.0m外布置。同时受地裂缝的影响,基础内收避让地裂缝,受影响的地上框架柱采用斜柱转换。

(2)转换桁架斜杆采用十字交叉布置,对控制变形最有利,结构效率最高。

(3)计算分析表明,不考虑楼板作用时转换桁架型钢斜腹杆受力最不利,是否考虑楼板作用对型钢混凝土弦杆受力不明显。

(4)基坑开挖及降水会对地铁隧道产生不利影响。提出保护措施:基坑分区开挖卸载和坑内加固。

(5)施工期间,地铁运营安全、平稳,表明本工程相关措施切实可行。