地铁车站开敞空间结构改造设计思路探讨

　　【摘 要】：为打造空间开敞的地铁车站，文章以实际工程为例，通过对车站改造及结构加强设计，在地下三层岛式站台负三层已实施的条件下，采取技术措施对车站未施工负一层某侧跨中板打开，实现车站“侧跨中庭”全部打开的艺术效果。

　　本文源自刘科成， 天津建设科技 发表时间：2021-04-23《天津建设科技》(双月刊)创刊于1990年，由天津市建设科技信息中心主办。本刊坚持为建设科技事业发展服务的方针，坚持为建设系统广大科技人员服务的宗旨，紧密围绕天津市建设系统的科技重点工作进行宣传报道，主要刊载建筑业、建材业、市政业、房地产业、公用事业五大行业的科技成果、学术论文、重点工程、推广项目、地方标准、国家标准及政策法规等，并介绍各专业的科技发展趋向以及国内外建设科技发展动态信息。

　　【关键词】：侧跨中庭;地铁;车站;开敞空间;结构改造;汉正街

　　随着各城市地铁的不断发展，地铁车站公共区对空间的要求越来越高，逐渐从满足基本运营条件，发展到满足人们视觉享受，地下车站不再是千篇一律的对称式矩形框架结构，为实现较好的艺术效果，越来越多的车站开始在空间上大胆创新，将地铁车站打造成“地下艺术宫殿”。大跨度的空间，对理论计算及结构加强均有较高的要求，特别是前期未预留条件，后期又需要改造的项目。

　　本文结合武汉地铁6号线一期工程汉正街站的改造设计，通过理论计算，分析各结构构件的加强措施，最终实现了“侧跨中庭”的较好艺术效果，为今后类似工程的设计与施工起到参考作用。

　　1工程概况

　　汉正街站为地下 3层岛式站台车站，为特色艺术车站，摆脱了常规站体形式，创造了在全国地铁中首次侧跨楼板全部打开的先河[1]。见图1。

　　根据设计方案，打开车站负一层南侧侧跨中板，范围为车站南侧 8～16 轴负一层侧跨，开洞尺寸为 71.96 m×14.95 m(长×宽)。由于改造影响区域负三层结构(含底板、负二层中板、负三层侧墙、负三层结构柱)现场已施工，为实现该站的艺术效果，需对已实施的部分车站结构进行改造以满足新条件下结构受力要求。本站开洞面积大，约1 075 m2 ;南侧侧墙竖向跨度大，竖向净空 11.65 m，车站结构不对称，对结构受力影响大。见图2和图3。

　　2车站开敞空间改造设计

　　针对中庭方案，需对已施工结构进行改造，未施工结构进行重新复核设计，综合考虑结构受力安全及现场施工的难易程度，采取的主要措施包括：车站底板及立柱桩改造;车站南侧侧墙改造;车站结构柱改造;未施工部分顶板及顶板梁加大。见图4。

　　以下主要介绍负三层改造方案设计，对于未施工的负一层、负二层结构部分不再详述。

　　2.1 车站底板及立柱桩改造

　　车站底板原设计厚度为1 200 mm，变更后车站南侧底板需加厚，由于底板已施工完成，向下加厚已无可能;因此，通过调整南侧轨道排水方向，将车站底板向上加厚 200 mm，凿除底板上侧保护层，在既有钢筋上铺设一层分布筋及加强筋，加强筋设置在最外层并穿过上翻底纵梁，既有结构底板之上植入插筋，上翻底梁通过水钻取孔将加强钢筋穿过纵梁;临时立柱桩原设计不兼抗拔作用，变更后通过在底板上增设纵梁将临时立柱与纵梁锚于一起兼抗拔起安全储备作用(理论计算不考虑其抗拔作用);在站台板下，除预留管线通道外回填素混凝土压重，增加竖向作用力。见图5和图6。

　　2.2 车站南侧侧墙改造

　　车站南侧侧墙负三层原设计厚度 900 mm，变更后既有侧墙需加厚处理，在南侧负三层底板与侧墙节点处增设纵梁并设置反坡使其形成刚域，以抵抗角部应力集中区;加厚侧墙外侧主筋需穿过既有中板并伸至结构顶板作为负一层侧墙内侧主筋;中板通过水钻取孔，直径50 mm、间距150 mm;同时在中板上取浇筑孔，直径 250 mm、间距 1 500 mm;考虑到取孔可能对既有结构造成较大影响，加厚侧墙内主筋不穿过中板，直接焊接于既有中板底部，新旧混凝土界面凿毛处理，表面冲洗干净并采取植筋加强混凝土面连接。见图7。

　　2.3 车站结构柱改造

　　车站结构柱由双柱变单柱，已施工负三层结构柱截面不满足结构受力要求，因此对既有结构柱进行改造，通过对增大截面加固法、外包角钢加固法、粘钢加固法等方法进行结构受力、现场施工难易程度、建筑建材防火要求的比选，采用增大截面加固法最可靠[2] 。通过采用柱顶临时加腋，中板取浇筑孔方法解决现场混凝土浇筑困难。变更前结构柱截面尺寸为 700 mm×1 200 mm，变更后截面尺寸为 900 mm×1 400 mm。

　　2.4 未施工部分顶板及顶板梁加大

　　未施工的负一层、负二层原设计顶板厚度为 800 mm，侧墙厚度分别为 800、900 mm，板墙腋角为 300 mm×900 mm，顶纵梁尺寸为1 200 mm×1 400 mm，中纵梁尺寸为 1 100 mm×900 mm;侧跨负一层中板打开后，经过计算，结构尺寸调整为：顶板 1 200 mm，南侧侧墙1 300 mm，北侧侧墙900 mm，腋角600 mm×1 800 mm，顶纵梁 1 400 mm×1 400 mm，中纵梁 1 300 mm× 1 200 mm。

　　3开敞空间改造计算分析

　　根据车站结构的类型和施工方法，按照规范[3～5] 对施工阶段和正常使用阶段进行强度计算，必要时进行刚度和稳定性计算及抗裂和裂缝宽度验算。当计及地震或其他偶然荷载作用时可不验算结构的裂缝宽度，按荷载的短期效应组合并考虑长期效应组合的影响。本计算中最大裂缝宽度的计算式中保护层的实际厚度超过30 mm时，取其计算值为30 mm。

　　结构设计所考虑的计算荷载主要有永久荷载、可变荷载和偶然荷载，按结构在使用阶段可能出现的最不利情况进行荷载组合。

　　主体结构按横向框架进行计算分析。板、墙、柱等构件均简化为杆件，取每延米为一计算单元，柱的刚度按纵向柱距分配至每米计算。采用 SAP2000 软件进行计算，采用“荷载-结构”模型，按平面杆系有限元法进行计算[6] 。

　　对近期使用阶段(低水位+静止土压力工况)、远期使用阶段(设防水位+静止土压力工况)及地震作用分别进行计算，计算结果显示远期使用阶段起控制作用。结果计算显示结构内力及挠度均满足设计要求，采用的结构设计措施及改造措施能满足设计要求[6] 。见图8。

　　4 建议

　　1)对于改造的车站，方案设计时需考虑具体施工工艺的复杂程度，现场实施条件，综合比较工期、投资、可实施性。

　　2)板墙交界处计算内力较大，可通过增设反坡纵梁使其形成刚域，以抵抗角部应力集中区。

　　3)既有结构尺寸加大，侧墙需要注意行车限界的要求，结构底板需要注意轨道的要求。

　　4)为实现大跨度，未施工顶板除加大结构尺寸及配筋、端部设置大腋角外，可探索采用后张有黏结预应力结构。