北京某地鐵高架車站變形縫設置間距對結構變形的影響探討

諸慧超

Research 研究探討

北京某地鐵高架車站變形縫設置間距對結構變形的影響探討

諸慧超

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102627）

本文以北京某地鐵高架站項目為例，對不同變形縫間距設置方案通過盈建科軟件進行結構計算分析，論述了變形縫設置間距有關問題，并提出了解決有關問題的建議，以供推動、完善變形縫設計規范。

地鐵高架站；變形縫；扭轉；溫度應力；配筋

0 前言

地鐵高架站通常設在空間有限的城市區域，因其站體被架起，所以其地面占地面積較小，此類結構有著很高的空間利用率。在結構上，一般通過設雙排墩柱甚至單排墩柱將站廳層、站臺層站架起，由此形成了墩柱、蓋梁等橋類構件和站廳層、站臺層的建筑結構類梁板結構整澆為一體的空間結構。對于地鐵高架車站，晝夜溫差、自然災害、、建筑物自身地基不均勻沉降等都會對結構變形產生較大影響。設置變形縫可提前阻止建筑物因為沉降，溫差等因素發生變形。其中伸縮縫主要是在溫度發生變化式發揮作用，以避免結構材料發生熱脹冷縮而產生裂縫破壞結構。對于較長建筑物伸縮縫可將其分成幾個較短的獨立部分，減小結構的溫度應力。但對于地鐵高架站變形縫設置間距問題，目前暫未有明確標準。本文以北京某地鐵高架站為例，結合建筑布置需求，探討不同變形縫間距設置對于結構變形影響，以推動對于地鐵高架車站變形縫設置標準建立。

1 工程概況

北京某地鐵高架車站為現澆式鋼筋混凝土框架結構，采用“橋——建”組合結構體系，主要優點有車站柱子根數少，柱網整齊，建筑布置靈活，外立面簡潔美觀，可提升區域城市形象。同時此結構可避免高架橋墩柱穿越車站樓板，節省站房空間，更好的滿足車站使用功能，同時能避免站臺與列車間的不均勻沉降，抗側移剛度大。車站整體性好，有利于結構抗震且對施工場地空間要求較小。車站總長度為186.00m，總寬度為26.05m。車站采用二層鋼筋混凝土框架結構型式。地面一層為站廳層，地上二層為站臺板下層，站臺層柱均于站臺板下層生根。車站為側式雙線車站，橫向中間區域四柱三跨（8.375+7.800+8.375m）。車站結構抗震等級為一級，抗震構造措施等級為特一級，建筑抗震設防類別為乙類。下文中討論的梁板柱均為框架構件，柱尺寸為1400mm×1400mm、梁尺寸為800mm×1000mm及200mm厚的現澆混凝土板。

2 變形縫設置

北京某地鐵高架車站屬于超長結構，故需要分縫處理，在兼顧建筑美觀性前提下，車站在5-6軸及10-11軸設置兩道變形縫，結構分為（52.75m+60m+67.75m）三部分，變形縫寬度采用500mm,變形縫處采用雙柱共用基礎方案。此變形縫按伸縮縫設置，兼顧防震縫和沉降縫的作用。根據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010,2015年版)對于鋼筋混凝土結構伸縮縫的最大間距規定可知，室內或土中現澆式框架結構伸縮縫最大間距為55m。原設計在超過規范允許最大間距值的結構中采取減小混凝土收縮及溫度變化的措施，采用低收縮混凝土材料，設置后澆帶并加強施工養護以消除溫度變化與混凝土收縮對結構的影響。

由于建筑方案的改動，現需要在車站長度不變的情況下，改變變形縫的設置間距以滿足建筑方案。方案一為增加中間結構長度15m，并減小右側結構長度15m，既結構分為（52.75m+75m+52.75m）三部分。方案二為在方案一的基礎上再增加中間結構長度15m，并減小左側結構長度15m，既結構分為（37.75m+90m+52.75m）三部分。此三個方案僅改變結構整體長度，對于梁柱板構件的尺寸均不做改變。

3 計算結果分析

由于本高架車站為“橋——建”組合結構體系，根據《地鐵設計規范》( GB50157—2013)[1]第10.6.2條規定，車站高架結構中軌道梁、支承軌道梁的橫梁、支承橫梁的柱等構件及柱下基礎的結構設計，均按現行鐵路橋涵設計相關規范執行，組合結構體系中其余構件應按現行建筑結構設計規范進行結構設計。本車站建筑結構設計采用盈建科建筑結構設計軟件V3.0.1版。本文通過此軟件分別對三個方案進行建模計算，并以軟件計算結果為基礎結合工程實例討論變形縫設置間距對于結構位移，內力，梁配筋與板配筋的影響。

3.1 對位移影響

在盈建科軟件計算結果中，對應位移的參數有最大層間位移角，最大位移與層平均位移的比值及最大層間位移與平均層間位移的比值。其中最大層間位移角是結構剛度的宏觀控制指標，位移比則是側重于結構側向剛度與扭轉之間的一種對應關系。盈建科軟件計算基于剛性樓板假定，結果見表3.1：

表 3.1 結構位移參數計算結果對比表

由表3.1的結果可知，三個方案均小于規范1/550的限值，最大層間位移角在結構構件尺寸相同情況下與結構長度未有明確的對應關系，方案一的最大層間位移角最大，對應著它的剛度是三個方案中最小的。因此結構長度在相同尺寸構件結構中對結構剛度不是控制因素。

由《高規》[2]的4.3.5條規定，可知樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移角，不宜大于該樓層平均值的1.2倍；且對于本車站不應大于該樓層平均值的1.5倍。實際處理中對于結構最大位移比與最大層間位移比大于1.3的，則應算作一項超限。由表3.1可知，三個方案中雖有大于規范推薦的1.2的方案，但都未超限。而且在結構構件尺寸相同情況下結構長度與位移比成正相關，既位移比在結構構件尺寸相同情況下隨結構長度增加而增大。此關系可以理解為在結構構件尺寸相同情況下結構的扭轉效應隨著結構長度增加而變大。

3.2 對內力影響

考慮到扭轉對結構的影響，柱在尺寸不變情況下受地震影響變大，因此本文統計了在地震工況中柱剪力和彎矩最大值，軸力由恒載控制不在本文討論范圍內，結果見表3.2。除了地震作用的影響，溫度作用對于結構的影響也是不可忽視的，本次高架站溫度荷載采用全樓溫差輸入，溫度變化范圍為-30℃~25℃。本文分別記錄了基本組合和準永久組合下梁構件的溫度內力對應的彎矩，見表3.2：

表3.2 結構內力統計表

由表3.2可以知，對于柱剪力，其變化不與結構長度成正相關。柱彎矩則是隨結構長度增加而增大，這種關系是非線性的，隨著結構長度增加而彎矩增大量是減小的。對于溫度變化對于結構的影響，從本次計算可以得出在-30℃~25℃范圍內升溫對結構影響大于降溫的影響。在不同方案中的不同荷載組合計算結果都體現出在結果尺寸相同的情況，結構長度和溫度應力是正相關。方案二中的彎矩相對于原方案增加了將近一倍，可見結構長度對于溫度應力影響是十分明顯的。溫度應力在基本組合荷載組合中并不是控制組合，且在施工時對于過長結構也會設置后澆帶以減小新澆混凝土的收縮應力。但是在準永久組合中構件裂縫控制必須考慮溫度應力對于構件的影響。

3.3 對配筋影響

對于實際結構設計工程，所有的計算結果最后都會在構件配筋上體現，對于本結構扭轉增大主要控柱配筋，而溫度應力主要控制梁板裂縫配筋。配筋結果統計表見表3.3：

表3.3 構件配筋統計表

由表3.3可知，在結構構件尺寸相同的情況下，變形縫間距增大，既結構長度增加，會增大結構構件配筋。結構長度增加對于柱板配筋影響大于對于梁配筋的影響。由此結果可以推測，當變形縫設置間距增大到一定程度后，結構構件會出現超筋，從而要求增大結構構件尺寸，而對于類似地鐵的對空間利用率要求比較高的項目，構件尺寸的增大對整體方案影響十分巨大。

4 總結

本文通過對北京某高架地鐵站的建筑結構設計部分進行計算，得出在結構構件尺寸不變的情況下，設置變形縫間距增大，會增大建筑結構的扭轉，會增大建筑結構的溫度應力。建筑結構的扭轉增大會導致柱配筋增大；溫度應力的增大則主要控制梁板的裂縫配筋，且對板的影響遠大于梁。對于變形縫的設置間距，建議盡量靠近規范推薦值，對于不得不超過規范推薦值的變形縫設置方案應采用相應措施來減小溫度對結構的影響，不建議采用超長結構方案。

由于水平有限，計算樣本沒有大于100m的方案，結論應用范圍有限。請業界商榷，以期能盡快推進行業合理化、規范化。

[1]GB50157—2013地鐵設計規范[M].北京: 中國建筑工業出版社，2013

[2]GB50010-2010,2015年版混凝土結構設計規范[M].北京: 中國建筑工業出版社，2015

[3]GB50011-2010，2016年版建筑抗震設計規范[M].北京: 中國建筑工業出版社，2016

[4]JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[M].北京: 中國建筑工業出版社，2010

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