市域快線地下車站樓梯型式優化設計

楊 沖

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311100)

1 設計背景

傳統地鐵車站車型多為6節編組B型列車，市域快線車站車輛采用A型列車，同時由于供電制式不同，市域快線車站站臺層較普通車站高約1 m，由此引起站臺至站廳樓梯提升高度增加約1 m，以地下2層車站一字直跑樓梯為例，傳統B型車樓梯提升高度為5 100 mm，市域快線車站A型車車站的站臺至站廳提升高度為6 150 mm，根據《地鐵設計規范要求》，通常公共區樓梯踏步采用300 mm×150 mm，單跑樓梯踏步不宜超過18，超過18時應增設休息平臺。通常18×300 mm=5 400 mm，單跨樓梯5.4 m，采用板式樓梯方案較為輕便。

普通車站樓梯提升高度為5 100 mm時，踏步數5 100 mm/150 mm=34個踏步，因此樓梯平面布置采用兩跑樓梯((踏步數：17+17)，中間增設1個休息平臺)，普通車站樓梯平面投影長度約11.1 m(見圖1(a))。

市域快線車站提升高度為6 150 mm時，踏步數6 000 mm/150 mm=41>18×2，需設置3跑(踏步數：13+14+14)，中間需設2個休息平臺。快線車站樓梯平面投影長度約14.4 m(見圖1(b))。

2 樓梯建筑設計優化

2.1 樓梯設計現狀

車站建筑設計時通常將樓梯下方梯柱與梯板的圍合空間作為三角備用間以充分利用站臺層空間。6B車站樓梯下支點距離最遠處梯柱平面投影長度為7.55 m(控制凈高2.4 m時，8A快線車站下支點距離最遠處梯柱平面投影長度為10.55 m，相對于傳統車站多3 m，一組樓扶梯約占用公共區20 m2，快線車站通常設4組樓扶梯，按此設計共占用站臺公共區約80 m2，三角房空間縮小后站臺視線通透，高峰時期站臺可多容納約500人(如圖2所示)。

2.2 快線樓梯設計存在問題

快線車站梯柱與樓梯板圍合空間面積過大，作為三角設備間使用利用率較低，且占用公共區面積較多。若將梯柱外露單獨裝修，被構件切割后的公共區空間幾乎沒有乘客使用，并且乘客視線也受到遮擋，影響乘客流線[1]。

采用全梁式樓梯時，因梁式樓梯跨度較板式樓梯跨度大，上部梁式樓梯水平投影約10 m，最遠一排梯柱可左移3 m，站臺公共區空間相對增大20 m2；但此時三角機房內因梯梁梁高約800 mm，較板式樓梯高度凸出600 mm，原三角機房凈高較小，采用梁式樓梯后凈空不足，又需要外擴滿足三角機房使用要求，因此，從對公共區空間影響方面評價，采用純梁式樓梯方案和板式樓梯方案相差不大。

2.3 優化設計

基于上述存在問題，如何避免在公共區設置過多梯柱，同時保證梯板下三角機房空間滿足使用要求，以上兩個關鍵點是現方案需要解決的主要問題。

單獨采用一種結構形式的樓梯無法同時滿足三角機房和公共區的要求，需要綜合考慮各結構形式優點，以達到設計目的。

通常地鐵車站板式樓梯跨度約5 m～8 m，梯板厚200 mm，按18個踏步一跑考慮，跨度超過6 m則需要加強配筋或設置梯柱，少則1根大尺寸梯柱，多則4根小尺寸梯柱。

梁式樓梯跨度大，超過6 m時使用梁式樓梯可以增大樓梯跨度，在保證結構安全的前提下有效減少梯板下設置過多梯柱。但梁式樓梯梁截面高度相對板厚度要大，通常梁截面高為板厚的3倍～5倍。

對上述構件特點進行分析，將樓梯自下而上劃分為3個部分，即樓梯自身、三角機房及樓梯下公共區空間。分析圖1可知，樓梯最下部低矮空間跨度小、凈空小導致此區域無法利用，因此采用何種樓梯結構形式對建筑功能并無影響，且下部樓梯采用梁式樓梯造成浪費且施工不便，該部分采用板式樓梯較為合理。上部樓梯下方要求不設梯柱或少設梯柱，不影響公共區空間，此段樓梯跨度較大，采用梁式樓梯較為合理[2]。設計時充分利用梁式樓梯跨度大的優勢，使上部樓梯跨度足夠大，減少對公共空間的占用，同時平面上結合三角機房和樓梯兩側扶梯混凝土支墩位置，將梁式樓梯下支點位置與扶梯支墩并排設置，保證了建筑視線的平整，同時也不影響三角機房空間[3](見圖3)。

3 樓梯結構設計優化

3.1 樓梯結構選型

根據前述優化思路，優化方案在同一部樓梯中同時采用的梁、板混合結構組合，上部樓梯采用大跨度梁式樓梯，下部結構采用板式樓梯。其中，上部樓梯與下支點連接時，結構構造上可將梁內受力縱筋全部錨固于梯柱頂部，下支點支撐于600 mm×500 mm的結構柱，下部板式樓梯支點采用橫梁，在梁、板結構轉換處設置一根垂直于梁式樓梯的600 mm×700 mm短橫梁作為板式樓梯的上支點。梁式樓梯上支點支撐在主體結構800 mm×800 mm的橫梁上。下部板式樓梯梯柱為300 mm×300 mm，梯板厚200 mm。

梁式樓梯橫斷面根據梯段寬度通車采用T型截面或π型截面，本案例中梯段設計梁截面為600 mm×800 mm，梯段設計寬度1.2 m，考慮施工支模便利，采用T型截面，除去梁自身寬度梯板沿梁橫向各有300 mm懸挑，對稱受力。

3.2 樓梯結構設計

限于篇幅，本處僅對優化后的折梁樓梯進行計算分析，小跨度板式樓梯計算不再贅述。根據既有經驗，由于不同結構形式計算簡化力學模型不同，對于梁、板組合結構樓梯，結構設計時無法采用一般平面計算假定對優化方案樓梯進行計算，且規范對于多節點折梁并無詳細計算規定，僅示意節點構造做法，故本優化方案采用有限元軟件midas gen對樓梯進行計算設計。

樓梯荷載主要考慮：自重(軟件自動計算)、踏步1.88 kPa，裝修面層1.65 kPa、其他裝修及扶手欄桿1 kPa，人群活載按4 kPa。材料采用C30混凝土，裝修面層厚50 mm。荷載組合根據現行規范要求計算。通常車站結構構件按照混凝土裂縫控制設計配筋可滿足全部結構設計要求，故此處僅對準永久工況下計算結果進行分析(見圖4～圖7)。

根據彎矩最大值和最大變形均出現在折梁跨中，彎矩最大值為186 kN·m，根據規范要求配筋計算，4根直徑25 mm鋼筋可滿足0.3 mm的裂縫控制要求；折梁跨中最大撓度為1.6 mm，遠小于各規范要求；根據計算結果看，樓梯結構剪力數值不大，各節點處根據規范相應要求進行構造配筋即可滿足要求。

3.3 樓梯構造設計

根據前述有限元計算結果可知，本案例中所用組合結構樓梯受力關鍵點主要為梁式樓梯上、下支點，折梁節點。其中樓梯上支點受力最大，折梁節點其次，柱頂次之。設計時結合抗震要求對節點進行加強。

因折梁會在兩端支點產生一定水平推力，上支點水平推力方向與混凝土板平行，剛度滿足要求；下支點水平推力作用于柱頂，使下梯柱產生偏壓，需對梯柱進行偏壓計算配筋。同時可適當加大與柱頂橫梁相連的下梯板厚度，對梯柱沿水平方形位移有一定約束。

樓梯一般與主體結構分期施工，施工時應注意提前在樓梯上支點和下支點立柱處預留足夠的鋼筋錨固長度。預留鋼筋錨固條件同時施工時應將上述關鍵節點作為施工控制重點。

4 結語

大跨度梁式加板式組合結構樓梯能夠在保證結構設計安全的前提下，充分發揮其受力特點將地下車站公共區空間利用率達到最大化，充分平衡了建筑設計與結構設計的不同要求，使設計達到最優化。

1)本優化僅對地下2層站進行空間優化，其余類型車站可依此優化思路進行優化。

2)大跨度梁、板混合樓梯結構設計計算主要依靠有限元計算結果，結合抗震構造措施保證結構安全，樓梯作為地鐵內垂直運輸的重要構件，抗震構造可適當提高。

3)大跨度結構撓度相對較大，本案例計算結果僅作為參考，實際施工時可設置一定預拱度，施工過程中應特別注意控制施工質量，確保各關鍵節點安全可靠。