劉 曦 楊孟根 高夕良

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

1 工程概況

成都至自貢客運(yùn)專線天府機(jī)場(chǎng)高鐵站依次下穿新建天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)T1、T2航站樓，高架橋，T1、T2停車樓、綜合換乘中心GTC，成都地鐵13、18號(hào)線，綜合管廊等建構(gòu)筑物，實(shí)現(xiàn)交通上的“零換乘”，車站及咽喉區(qū)間隧道線路與上部結(jié)構(gòu)整體平面斜交成55°。車站總長(zhǎng) 1 613 m，分為車站主體部分和兩端咽喉區(qū)間部分。車站主體為地下二層雙島六線式，總長(zhǎng) 517.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段凈寬67.4 m，有效站臺(tái)長(zhǎng)450 m，車站咽喉區(qū)間大里程段全長(zhǎng)550.8 m，小里程段全長(zhǎng)545 m。其中大里程段區(qū)間位于T2航站樓正下方，平面空間互相交叉，對(duì)高速鐵路車站咽喉區(qū)間頂板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)提出了較大的挑戰(zhàn)。

近年來，對(duì)于下穿機(jī)場(chǎng)的研究主要集中在鐵路隧道下穿機(jī)場(chǎng)滑行道及其他構(gòu)筑物變形方面[1-7]，對(duì)高速鐵路區(qū)間隧道下穿航站樓的研究很少。本文針對(duì)咽喉區(qū)間隧道下穿T2航站樓轉(zhuǎn)換上部結(jié)構(gòu)的斷面方案選型進(jìn)行研究，以期為其它類似項(xiàng)目提供借鑒。

2 結(jié)構(gòu)方案

大里程咽喉區(qū)間結(jié)構(gòu)平面呈喇叭口，寬度沿線路逐漸縮小，由5孔(凈寬65.9 m)逐減變?yōu)閱慰?凈寬15.3 m)，單孔最大跨度22 m，區(qū)間端頭與馬蹄形隧道相連。區(qū)間頂板上部框架柱數(shù)量多，柱底荷載大，其中T2航站樓鋼結(jié)構(gòu)屋蓋鋼管框架柱最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值 28 700 kN，且區(qū)間同一斷面內(nèi)各跨框架柱荷載大小、數(shù)量及位置各不相同。

借鑒復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)[8-11]，結(jié)構(gòu)形式可采用轉(zhuǎn)換梁(型鋼梁)、轉(zhuǎn)換厚板、轉(zhuǎn)換桁架、箱型轉(zhuǎn)換等。轉(zhuǎn)換梁因跨度和撓度均較大，且上部結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)不規(guī)則(局部區(qū)域柱網(wǎng)為弧形)，而咽喉區(qū)間結(jié)構(gòu)平面為喇叭口型，故布置轉(zhuǎn)換梁不合適。根據(jù)地下結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)頂板采用轉(zhuǎn)換厚板較為合理。

因咽喉區(qū)間結(jié)構(gòu)上部框架柱分布位置及荷載大小不同，方案需考慮荷載不利位置(彎矩或剪力最大的位置)，同時(shí)應(yīng)滿足剪壓比限值、抗沖切計(jì)算及抗剪切計(jì)算。轉(zhuǎn)換厚板分別對(duì)直墻平頂圓拱斷面方案與直墻圓拱斷面方案進(jìn)行對(duì)比分析。直墻平頂圓拱斷面方案頂板內(nèi)側(cè)為圓拱，頂板頂為平面，實(shí)際受力特點(diǎn)為加腋梁的特性。直墻圓拱斷面方案實(shí)際受力特性以拱的特性為主。

3 受力分析

本段咽喉區(qū)間為明挖區(qū)間，基坑支護(hù)方式為放坡開挖及圍護(hù)樁+錨索防護(hù)，底板持力層為中等風(fēng)化泥巖、砂巖。結(jié)構(gòu)計(jì)算截面尺寸：底板厚1.8 m(設(shè)置抗拔樁)，側(cè)墻厚2 m(側(cè)墻高度13.5～15.5 m)，中隔墻厚1 m，頂板厚2.5～2.8 m。底板位于地下-25 m，混凝土采用C45。受到上部結(jié)構(gòu)制約，區(qū)間頂板標(biāo)高由航站樓上部結(jié)構(gòu)建筑使用要求確定，頂板拱弧線為由側(cè)墻頂點(diǎn)、中隔墻頂點(diǎn)及頂板中點(diǎn)形成的圓弧形。

采用MIDAS/GEN建立實(shí)體單元模型進(jìn)行受力分析，為接近工程實(shí)際，取一40 m長(zhǎng)的施工段建模。上部基礎(chǔ)荷載(11 000 kN)采用均布荷載施加于實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)上(考慮結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的擴(kuò)散作用)，作用于模型平面中部(20 m處)，頂板同時(shí)施加10 m覆土土壓力、超載20 kN/m2及自身自重。采用彈簧支座模擬邊界約束及抗拔樁，彈簧剛度根據(jù)地質(zhì)勘查的基床系數(shù)賦予，土壓力及水壓力荷載施加于底板和側(cè)墻。為利于施加荷載及結(jié)構(gòu)分析，采用結(jié)構(gòu)的垂直方向與全局坐標(biāo)系的Z軸平行建模。區(qū)間斷面建模示意如圖1所示。本文針對(duì)中間孔最大跨的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行方案比較分析。

圖1 區(qū)間斷面(建模)示意圖(mm)

3.1 直墻平頂圓拱斷面方案

直墻平頂圓拱斷面在上部結(jié)構(gòu)荷載及覆土壓力荷載作用下的最大主應(yīng)力如圖2所示。中間孔跨度約13 m，從應(yīng)力分布上看，厚板呈現(xiàn)單向板受力狀態(tài)，截面受力類似于加腋梁的受力狀態(tài)，中間孔跨底部及支座頂部受拉。

圖2 直墻平頂圓拱斷面在上部結(jié)構(gòu)荷載及覆土壓力荷載作用下的最大主應(yīng)力圖

荷載作用下直墻平頂圓拱斷面X軸軸向應(yīng)力如圖3所示。

圖3 荷載作用下直墻平頂圓拱斷面X軸軸向應(yīng)力圖

從圖3可以看出，中間跨頂部支座受拉區(qū)寬度約占單孔跨度(13 m)的26%，底部受拉區(qū)寬度約占單孔跨度(13 m)的26%，結(jié)構(gòu)斷面上受拉區(qū)豎向分布占整體板厚的30%。

結(jié)合MIDAS/GEN的計(jì)算結(jié)果，匯總中間孔應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 直墻平頂圓拱斷面應(yīng)力分析表

表1中，Y軸向應(yīng)力是整個(gè)區(qū)間結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力(即垂直于線路方向)的體現(xiàn)。在整個(gè)頂板平面范圍內(nèi)，上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)荷載在頂板縱向上有一定的影響范圍，設(shè)計(jì)時(shí)需確定具體的加強(qiáng)范圍。

3.2 直墻圓拱斷面方案

直墻圓拱斷面方案與直墻平頂圓拱斷面方案在同樣約束條件、同等荷載的情況下建模。其在上部結(jié)構(gòu)荷載及覆土壓力荷載作用下的最大主應(yīng)力如圖4所示，X軸軸向應(yīng)力如圖5所示。結(jié)合MIDAS/GEN的計(jì)算結(jié)果，匯總中間孔應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)如表2所示。

圖4 直墻圓拱斷面在上部結(jié)構(gòu)荷載及覆土壓力荷載作用下的最大主應(yīng)力圖

表2 直墻圓拱斷面應(yīng)力分析表

結(jié)合圖4、圖5和表2可知，直墻圓拱斷面方案中間孔頂部均呈現(xiàn)全跨壓應(yīng)力狀態(tài)，底部受拉區(qū)寬度約占單孔跨度(13 m)的25%，結(jié)構(gòu)斷面上受拉區(qū)豎向分布僅占整體板厚的30%。

圖5 荷載作用下直墻圓拱斷面X軸軸向應(yīng)力圖

對(duì)比兩個(gè)方案的應(yīng)力分析結(jié)果，可以看出：

(1)直墻平頂圓拱斷面方案在跨中底部的拉應(yīng)力比直墻圓拱斷面方案大38.3%，即同樣斷面厚度的情況下，直墻平頂圓拱斷面方案跨中底部受拉明顯。

(2)直墻平頂圓拱斷面方案支座頂部出現(xiàn)拉應(yīng)力，直墻圓拱斷面方案支座頂部為壓應(yīng)力，即在同樣斷面厚度的情況下，直墻平頂圓拱斷面方案支座頂部受拉明顯。

(3)直墻圓拱斷面方案的拱效應(yīng)較直墻平頂圓拱斷面方案明顯，更有利于受力，在上部轉(zhuǎn)換柱荷載作用范圍內(nèi)，頂板95%的截面高度范圍均參與抗壓，更能充分發(fā)揮混凝土的抗壓優(yōu)勢(shì)。但與此同時(shí)，因拱形斷面將上部荷載轉(zhuǎn)化為對(duì)中隔墻及側(cè)墻的水平推力，直墻圓拱斷面方案中隔墻剪應(yīng)力較直墻平頂圓拱斷面方案大，約大于直墻平頂圓拱斷面方案剪應(yīng)力的25%，對(duì)豎向構(gòu)件不利。

(4)兩種方案在彈性位移方面相差不大，剛度相當(dāng)。

總體來說，兩種方案應(yīng)力相當(dāng)，剛度相當(dāng)。直墻平頂圓拱斷面方案支座頂部有拉應(yīng)力，直墻圓拱斷面方案無(wú)拉應(yīng)力。直墻圓拱斷面方案混凝土受壓利用得更充分，彎矩轉(zhuǎn)化為軸力更多，拱效應(yīng)更明顯。但從結(jié)構(gòu)概念來說，直墻平頂圓拱斷面方案頂板支座節(jié)點(diǎn)有加強(qiáng)，更符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的抗震設(shè)計(jì)概念，且本項(xiàng)目頂板上有較多的航站樓結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底部需安裝隔振支座，頂板拉平利于上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施工，也利于頂板結(jié)構(gòu)鋼筋綁扎和外包防水卷材施工。綜合上述因素，最終采用直墻平頂圓拱斷面方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 實(shí)體單元應(yīng)力配筋

本工程截面厚度較大，實(shí)體單元應(yīng)力配筋采用桿系單元模擬與實(shí)際受力狀態(tài)存在較大差別，因此,在采用平面桿系單元斷面設(shè)計(jì)的同時(shí)，以實(shí)體單元分析作為補(bǔ)充校核。

根據(jù)SL191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]第3.1.3條規(guī)定，可依據(jù)有限元軟件分析結(jié)果進(jìn)行承載力和正常使用條件的配筋計(jì)算和驗(yàn)算。由彈性力學(xué)分析方法求得截面的應(yīng)力圖形面積確定配筋數(shù)量，按應(yīng)力圖形面積計(jì)算配筋的公式為：

(1)

式中：K——安全系數(shù)，取1.35；

T——鋼筋承擔(dān)的拉力；

B——梁寬(m)；

fy——鋼筋抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度(MPa)。

針對(duì)非桿件體系的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制問題，SL 191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》提出了采用限制鋼筋應(yīng)力的方式對(duì)裂縫進(jìn)行控制：

σsk≤αsfyk

(2)

式中：fyk——鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa；

αs——考慮環(huán)境影響和荷載長(zhǎng)期作用的綜合影響系數(shù)，取值范圍0.5～0.7，對(duì)一類環(huán)境取大值，對(duì)四類環(huán)境取小值。

根據(jù)以上要求，對(duì)實(shí)體單元進(jìn)行裂縫配筋，控制鋼筋最大應(yīng)力來控制裂縫，當(dāng)彈性應(yīng)力圖形的受拉區(qū)高度小于結(jié)構(gòu)截面高度的2/3且截面邊緣最大拉應(yīng)力不大于0.45ftk時(shí)，僅配置構(gòu)造鋼筋。對(duì)比SL 191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 5001-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]的裂縫計(jì)算公式，再次計(jì)算裂縫，同等條件下若達(dá)到同樣的裂縫寬度，水工規(guī)范需增加鋼筋面積。

根據(jù)配筋量及鋼筋間距要求，配筋量較大處采用并筋的布置方式。由于拱軸力的作用明顯，截面配筋按壓彎構(gòu)件計(jì)算承載力及裂縫。配筋設(shè)計(jì)時(shí),在頂板高度范圍內(nèi)按一定間距配置鋼筋網(wǎng)片可從構(gòu)造上緩解大體積混凝土溫度收縮的影響，同時(shí)提高截面抗剪承載力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)區(qū)間隧道頂板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)選型的分析，得出以下結(jié)論：

(1)在大跨度轉(zhuǎn)換集中荷載下，直墻平頂圓拱結(jié)構(gòu)受力更合理，可優(yōu)先選用。

(2)在滿足工程耐久性設(shè)計(jì)前提下，可適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)來提高厚板抗沖切、抗剪切及抗彎承載力。但本工程截面尺寸較大，影響在施工及設(shè)計(jì)時(shí)，需采取相應(yīng)的措施來控制大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響。

(3)直墻平頂圓拱結(jié)構(gòu)在控制結(jié)構(gòu)承載力、裂縫、撓度時(shí)更易滿足規(guī)范要求。

(4)轉(zhuǎn)換厚板呈現(xiàn)三向受力狀態(tài)，配筋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)應(yīng)力配置鋼筋，并在剪應(yīng)力較大處設(shè)置單肢箍。