郁政華

1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092；2. 上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

軌交車站上蓋是指利用軌道交通地下站的交通便利性，直接在其上方加蓋商業(yè)商務(wù)、會(huì)展業(yè)、酒店、住宅等，從而方便乘客和吸引顧客，并帶動(dòng)商業(yè)圈的發(fā)展和提升。這種模式在國(guó)外已相當(dāng)成熟，如日本的新京都車站，其用于車站的面積僅占總面積的1/20，這種軌道車站上蓋物業(yè)、商業(yè)綜合體不僅成為該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)中心，同時(shí)還是重要的政治、文化中心，國(guó)內(nèi)亦有成功的案例。

軌交車站上蓋項(xiàng)目不同建設(shè)階段，施工難易和施工成本不同，其中在已正常運(yùn)營(yíng)并形成一定商業(yè)規(guī)模的軌交站點(diǎn)上方加蓋鋼結(jié)構(gòu)，施工難度最大。本文以中國(guó)博覽會(huì)會(huì)展綜合體項(xiàng)目為背景，重點(diǎn)介紹了此類項(xiàng)目的多方案優(yōu)化應(yīng)用[1,2]。

中國(guó)博覽會(huì)會(huì)展綜合體項(xiàng)目（北塊）位于上海市西部，北至崧澤高架路南側(cè)紅線，南至盈港東路北側(cè)紅線，西至諸光路東側(cè)紅線，東至淶港路西側(cè)紅線，已運(yùn)營(yíng)的軌交2號(hào)線由東向西貫穿整個(gè)施工區(qū)域。項(xiàng)目總用地面積8.56×105m2，地上建筑面積1.47×106m2，地下建筑面積2.00×105m2。

E1商業(yè)中心正下方為軌交2號(hào)線徐涇東站車站區(qū)間和盾構(gòu)區(qū)間，東側(cè)跨越盾構(gòu)區(qū)間，最大跨度達(dá)83 m，西側(cè)跨越車站區(qū)間，最大跨度達(dá)117 m。E1商業(yè)中心與軌交區(qū)間的相對(duì)關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 E1商業(yè)中心與軌交2號(hào)線的相對(duì)位置

圖2 E1商業(yè)中心與軌交區(qū)間平面關(guān)系示意

E1商業(yè)中心為鋼框架-支撐筒結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)內(nèi)徑109 m，外徑166 m。結(jié)構(gòu)地下1層，地上8層，屋蓋最高達(dá)43 m。鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約27 300 t。

2 軌交車站上蓋技術(shù)特點(diǎn)

由于徐涇東站已運(yùn)營(yíng)，軌交車站上蓋項(xiàng)目涉及到鄰近軌交的樁基施工、基坑開(kāi)挖、車站出入口改造、上蓋鋼結(jié)構(gòu)施工。項(xiàng)目開(kāi)工前需做軌交設(shè)施安全性評(píng)估，施工方案設(shè)計(jì)須經(jīng)過(guò)軌交運(yùn)營(yíng)方審查，項(xiàng)目施工須進(jìn)行全過(guò)程第三方檢測(cè)。軌交運(yùn)營(yíng)方要求：軌交區(qū)間內(nèi)施工荷載不得大于20 kN/m2；加強(qiáng)軌交線路沉降監(jiān)測(cè)，施工期間的累計(jì)沉降值小于10 mm。

E1商業(yè)中心鋼結(jié)構(gòu)規(guī)模體量大、跨度大，軌交車站區(qū)間、盾構(gòu)區(qū)間對(duì)施工荷載非常敏感，故鋼結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)分析結(jié)構(gòu)施工對(duì)軌交車站、盾構(gòu)區(qū)間的影響，在確保軌交在施工期間安全運(yùn)營(yíng)的前提下，綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變及施工工效、成本等。

3 軌交車站上蓋多方案設(shè)計(jì)

針對(duì)E1的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了4種鋼結(jié)構(gòu)施工方案，分別為：懸拼法、剛性支撐高空散裝法、恒力支撐施工法、彈性支撐施工法[3]。

3.1 懸拼法

E1大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)采用懸拼法施工。首先完成非轉(zhuǎn)換區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的施工；然后利用已完成的非轉(zhuǎn)換區(qū)框架鋼結(jié)構(gòu)的自身剛度，從兩邊往中間懸拼2～6樓轉(zhuǎn)換區(qū)鋼結(jié)構(gòu)；再利用合攏的6層以下轉(zhuǎn)換區(qū)結(jié)構(gòu)自下而上安裝上部鋼結(jié)構(gòu)。施工示意見(jiàn)圖3。

圖3 懸拼法施工示意

3.2 剛性支撐高空散裝法

全剛性支撐高空散裝法，通過(guò)設(shè)置豎向剛性支撐，自下而上散裝轉(zhuǎn)換區(qū)鋼結(jié)構(gòu)。剛性支撐荷載通過(guò)大面積路基箱或鋼梁予以擴(kuò)散，控制在設(shè)計(jì)要求的荷載值之內(nèi)。首先完成非轉(zhuǎn)換區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的施工；然后利用剛性支撐系統(tǒng)從兩邊往中間節(jié)間綜合安裝轉(zhuǎn)換區(qū)2～6樓鋼結(jié)構(gòu)；再利用合攏的6層以下轉(zhuǎn)換區(qū)結(jié)構(gòu)自下而上安裝上部鋼結(jié)構(gòu)；最后分階段卸載剛性支撐，完成結(jié)構(gòu)自施工狀態(tài)至設(shè)計(jì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。施工示意見(jiàn)圖4。

3.3 恒力支撐施工法

圖4 剛性支撐高空散裝法施工示意

恒力支撐是一種利用液壓千斤頂控制支撐軸力的支撐形式。恒力支撐施工法，通過(guò)設(shè)置豎向恒力支撐，自下而上散裝轉(zhuǎn)換區(qū)鋼結(jié)構(gòu)，恒力支撐荷載通過(guò)路基箱或鋼梁予以擴(kuò)散，控制在設(shè)計(jì)要求的荷載值之內(nèi)。首先完成非轉(zhuǎn)換區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的施工；然后利用恒力支撐系統(tǒng)從兩邊往中間節(jié)間綜合安裝轉(zhuǎn)換區(qū)2～6樓鋼結(jié)構(gòu)；再利用合攏的6層以下轉(zhuǎn)換區(qū)結(jié)構(gòu)自下而上安裝上部鋼結(jié)構(gòu)；最后通過(guò)伺服控制系統(tǒng)分階段卸載恒力支撐，完成結(jié)構(gòu)自施工狀態(tài)至設(shè)計(jì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。施工示意見(jiàn)圖5。

圖5 恒力支撐施工法施工示意

3.4 彈性支撐施工法

彈性支撐是一種利用彈性支座實(shí)現(xiàn)支撐軸力控制的支撐形式。彈性支座如圖6所示。在彈性支座內(nèi)設(shè)置有m個(gè)碟形彈簧，共n組，通過(guò)對(duì)碟形彈簧進(jìn)行預(yù)壓的方法對(duì)彈性支座施加預(yù)緊力。彈性支座原理如圖7所示。以1 000 kN的預(yù)緊力彈性支座為例，當(dāng)彈性支撐軸力≤1 000 kN時(shí)，其支座剛度近似無(wú)窮大，支座位移值為0 mm；當(dāng)彈性支撐軸力＞1 000 kN時(shí)，其支座隨彈簧變形而發(fā)生位移，支撐軸力緩慢增大。

圖6 彈性支座示意

圖7 彈性支座原理示意

通過(guò)設(shè)置豎向彈性支撐，自下而上散裝轉(zhuǎn)換區(qū)鋼結(jié)構(gòu)，彈性支撐荷載通過(guò)路基箱或鋼梁予以擴(kuò)散，控制在設(shè)計(jì)要求的荷載值之內(nèi)。首先完成非轉(zhuǎn)換區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的施工；然后利用彈性支撐系統(tǒng)從兩邊往中間節(jié)間綜合安裝轉(zhuǎn)換區(qū)2～6樓鋼結(jié)構(gòu)；再利用合攏的6層以下轉(zhuǎn)換區(qū)結(jié)構(gòu)自下而上安裝上部鋼結(jié)構(gòu)；最后分階段卸載彈性支撐，完成結(jié)構(gòu)自施工狀態(tài)至設(shè)計(jì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。施工示意見(jiàn)圖8。

圖8 彈性支撐施工法施工示意

4 軌交地下站上蓋多方案設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)用

通過(guò)Midas有限元分析軟件建立E1鋼結(jié)構(gòu)整體模型，定義邊界條件及荷載。針對(duì)多方案各施工工況進(jìn)行全過(guò)程施工模擬分析，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析比較，最終確定最優(yōu)施工方案。限于篇幅，略過(guò)施工模擬分析過(guò)程，以數(shù)表表述多方案結(jié)構(gòu)變形值、應(yīng)力值、支撐軸力的對(duì)比分析。

4種施工方法最終狀態(tài)結(jié)構(gòu)變形匯總比對(duì)如表1所示。

表1 不同施工方法下結(jié)構(gòu)變形值（卸載完成后）

通過(guò)表格數(shù)值比對(duì)，我們不難發(fā)現(xiàn)，采用懸拼法施工的結(jié)構(gòu)各項(xiàng)變形均遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)變形難以控制；采用剛性支撐、恒力支撐、彈性支撐的施工方法均能有效控制結(jié)構(gòu)變形，變形值均接近于原設(shè)計(jì)值。

4種施工方法最終狀態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力匯總比對(duì)如表2所示。

表2 不同施工方法下結(jié)構(gòu)應(yīng)力值（卸載完成后）

通過(guò)表格數(shù)值比對(duì)，我們不難發(fā)現(xiàn)，采用懸拼法施工的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)力比均遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值；采用剛性支撐、恒力支撐和彈性支撐的施工方法均能有效控制結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)力比，各值均接近于原設(shè)計(jì)值。

針對(duì)各類支撐在結(jié)構(gòu)合攏時(shí)的軸力比較，綜合分析各類支撐施工方法的優(yōu)劣。結(jié)構(gòu)合攏時(shí)，剛性支撐軸力、恒力支撐軸力、彈性支撐軸力如表3所示。

表3 支撐軸力值匯總（結(jié)構(gòu)合攏時(shí)，單位：kN）

通過(guò)表格數(shù)值比較，結(jié)構(gòu)在合攏狀態(tài)下，采用剛性支撐施工時(shí)，支撐軸力最大達(dá)2 584 kN，無(wú)法滿足軌交區(qū)間對(duì)軸力的控制要求；采用恒力支撐施工時(shí)，支撐軸力始終控制在1 200 kN、800 kN，滿足軌交區(qū)間對(duì)軸力的控制要求；采用彈性支撐施工時(shí)，支撐最大軸力為1 415 kN，滿足軌交區(qū)間對(duì)軸力的控制要求。在后續(xù)的卸載過(guò)程中，剛性支撐軸力局部會(huì)急劇遞增，對(duì)軌交的安全保護(hù)極為不利；恒力支撐能做到同步卸載，支撐軸力可控；彈性支撐軸力會(huì)緩慢遞增，軸力仍在可控范圍內(nèi)。

綜上所述，恒力支撐施工法、彈性支撐施工法均能滿足E1商業(yè)中心大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工的要求。在現(xiàn)場(chǎng)可操作性上，彈性支撐施工法更優(yōu)[4,5]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元分析軟件對(duì)E1大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，研究了4種不同施工方案在各個(gè)施工階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變及對(duì)應(yīng)支撐形式的軸力值。通過(guò)方案比對(duì)，最終確定了適用于軌交區(qū)間上方加蓋大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工方案。

恒力支撐法、彈性支撐法都不失為一種好的施工方案，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，彈性支撐法具有更強(qiáng)的可實(shí)施性。E1商業(yè)中心軌交地下站上蓋鋼結(jié)構(gòu)主要采用了彈性支撐施工法進(jìn)行安裝，彈性支撐實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化區(qū)4層以下結(jié)構(gòu)合攏前的結(jié)構(gòu)精度控制和軸力控制，結(jié)構(gòu)施工至8層，支撐軸力值仍滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)及軌交區(qū)間變形監(jiān)測(cè)可知，彈性支撐在實(shí)際施工中取得了良好的效果，結(jié)構(gòu)卸載完成后，最大變形值為-94 mm＜l/1 000，軌交區(qū)間在結(jié)構(gòu)施工階段累計(jì)沉降值小于10 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。