城市轨道交通车站与上部结构合建计算模式探讨

关键词：绿化带市政道路车站轨道交通

近年来, 随着城市轨道交通工程的蓬勃发展, 车站选址周边的环境类别日益呈现多样化。通常在外部条件允许的情况下, 轨道交通车站多设置于市政道路下方或道路边缘绿化带下, 这样可做到对周边环境影响较小且不降低周边地块的开发价值。但当出现因线路走向需要、周边环境限制或其它因素时, 往往需要将轨道交通站点设置在周边地块内。

针对进入地块的轨道交通车站, 为了发挥轨道交通站点周边的经济效益, 避免地上大面积闲置造成资源浪费, 在轨道交通站点上方进行上盖开发成为比较合理的一个选项, 而利用车站地下部分作为上盖结构的基础是比较常见的一种结构形式。对该类轨道交通站点与上盖结构合建的情况, 如何进行计算是一个值得探讨的课题。

1 常规计算方法及存在问题

对于民用建筑, 行业内通常采用PKPM等软件计算, 这类软件在国内发展起步较早, 相对较为成熟。PKPM结构软件采用人机交互方式, 楼层平面布置较直观和简单, 具有较强的荷载统计和传导计算功能, 除计算结构自重外, 还自动完成从楼板到次梁, 从次梁到主梁, 从主梁到承重的柱墙, 再从上部结构传到基础的全部计算。同时该类软件参照国内现行结构规范编译及更新, 因此在内力分析及成果输出方面较为符合行业特点和设计习惯。但由于国内的有限元计算理论起步较晚, 使这类软件存在一个共同缺陷, 即在地下结构部分的有限元计算较为薄弱, 尤其对地下结构的空间计算捉襟见肘。

对于轨道交通车站, 行业内通常采用SAP2000等软件计算, 这类软件采用有限元的分析方法, 可进行三维结构整体分析计算, 空间建模方便, 荷载计算功能完善, 对地下结构的内力分析较精确, 但由于源于国外, 有些方面显得“水土不服”, 如该软件对国内民用建筑规范等适配得不是很成熟, 且由于软件采用有限元计算, 内力输出、配筋等信息不直观, 与PKPM相比较, 对于稍显复杂一些的地上结构, 在施工图输出方面显得复杂和不便。

鉴于上述软件的优缺点, 目前条件下通过任一款软件将轨道交通车站与地上合建结构合并建模简便计算是比较困难的。因此, 本文提出通过利用两款软件分别在地上、地下结构计算上的优势, 采用PKPM结构软件对地上部分进行建模并提取柱下荷载加载在SAP2000建立的轨道交通车站模型上的方式, 实现对此类结构完整准确计算的目的。

2 计算案例及思路

本文拟选取上海市轨道交通某车站设计案例进行探讨。按最初设想, 拟将该车站布置于道路正下方, 后期通过现场调查及管线勘察后发现, 该道路交通流量较大, 施工组织难度较大, 且道路下方重要管线众多, 临时迁改、恢复难度大且代价较高, 经权衡比较后决定将该车站设于道路一侧未开发地块内。车站按地下二层岛式站台设计, 车站横断面采用双柱三跨钢筋混凝土箱型结构, 侧墙采用地下连续墙与内衬墙叠合体系。按照建设单位要求, 该车站顶板结构上部设计地上三层办公用房, 地上结构采用钢筋混凝土框架结构, 上部结构框架柱立于车站侧墙上方, 与车站侧墙钢筋拉通, 地下结构可看作地上部分的基础结构。

针对该案例, 本文拟采用两种模式进行计算。模式一通过PKPM结构软件计算上部结构, 传导柱下荷载至SAP2000建立的地下结构空间模型上, 两款软件分别计算并输出结果。模式二采用SAP2000软件建立地上+地下整体结构空间模型并统一计算。模式一即为本文探讨的计算方法, 模式二作为对照, 可佐证模式一的方法是否可行。

3 模式一计算步骤及结果对比

首先通过PKPM结构软件中PMCAD模块对上部结构建模, 建模完成通过SATWE模块进行内力分析计算后进入JCCAD模块读取各节点荷载并记录。

由于地下结构被视为地上结构的基础, 按照《建筑地基基础设计规范》 (GB50007-2011) 中要求, 在计算基础内力、确定配筋和验算材料强度时, 上部结构传来的作用效应按承载能力极限状态下作用的基本组合, 采用相应的分项系数;在验算基础裂缝宽度时, 应按正常使用极限状态作用的标准组合。因此, 在记录上部结构各节点荷载时, 应分两种组合模式单独记录。

利用SAP2000软件对车站地下结构进行空间建模, 再将上部结构各节点荷载按照恒载的模式附加在对应地下结构各节点上。

在对PKPM软件、SAP2000软件的计算模型检查无误后分别计算并进行地上、地下部分结构施工图要素的输出。

通过对模式一采用的车站计算模型和模式二地下+地上整体计算模型的比较, 地下部分的计算结果较为接近, 因此可视作利用两款软件对地下车站和地上结构分开独立建模的思路是可行的。同时模式一中如上部结构的方案有所调整, 也能较为便捷地通过PKPM结构软件中模型的修改传递到地下结构上, 便于设计人员的及时修正, 避免了模式二中牵一发而动全身的弊端。

该车站按照上述思路进行设计, 至今已完成施工并投入运营, 从使用情况看, 各方面参数稳定。

4 结论

综上所述, 通过将PKPM软件与SAP2000软件的结合进行该类结构计算应是可行的。并且, 通过以上两种软件的应用, 使得地上结构和地下结构所适用规范的差异性得到体现。

上述探讨的另一个意义在于:对于地铁车站需要做上部结构与之合建的情况, 建设单位可根据地上、地下结构的特点分别选取有优势的设计单位, 通过结构计算软件的相互配合, 共同完成合建体的设计。

摘要：城市轨道交通工程中, 车站周边的空间利用率问题逐渐受到重视, 充分利用地铁车站上方空间建造商业体的案例层出不穷。本文针对地上、地下钢筋混凝土结构在计算原理及模式上的差异, 结合上海市轨道交通某车站地下两层主体结构与地上三层办公用房合建工程, 探讨采用PKPM结构软件与SAP2000软件分别独立建模并传导荷载之后独立计算的方法, 完成车站空间结构模型建立, 实现地上、地下结构的准确计算。

关键词：地铁车站,上盖,合建