地鐵車站站廳層公共區(qū)綜合承載方案研究

周 恒，王 浩，顧承龍

（1.無錫地鐵集團(tuán)，江蘇 無錫 214000；2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，江蘇 無錫 214000）

0 引言

隨著近年來我國城市軌道交通的不斷發(fā)展，地鐵車站的設(shè)計(jì)與建設(shè)也逐步完善，但仍存在很多方面需要持續(xù)優(yōu)化，如綜合管線、末端設(shè)備及管線支架的設(shè)計(jì)與安裝等。

地鐵車站綜合管線內(nèi)容信息繁多，涉及專業(yè)包括通風(fēng)空調(diào)、給排水、動(dòng)力照明、通信、信號、綜合監(jiān)控等十幾個(gè)專業(yè)[1]。綜合支吊架在地鐵車站中應(yīng)用越來越廣泛，目前國內(nèi)地鐵車站管線綜合支吊架大部分均由綜合支吊架廠家負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，各專業(yè)管線未經(jīng)整合、末端設(shè)備及裝修吊桿繁復(fù)，綜合支架沿車站縱向間距不統(tǒng)一、支架及設(shè)備吊桿底標(biāo)高不一、單獨(dú)設(shè)置的側(cè)向抗震支撐占用空間且實(shí)施性較差等問題較為明顯。

為提高車站的裝修效果、滿足美觀要求、提供更好的乘車體驗(yàn)，結(jié)合目前國內(nèi)地鐵車站公共區(qū)半裸裝、全裸裝[2]等裝修概念，在地鐵車站站廳層公共區(qū)采用綜合承載方案可在一定程度上解決上述問題。本文以地鐵車站站廳層公共區(qū)為對象，研究了綜合承載方案。

1 設(shè)計(jì)思路

為整合各專業(yè)管線、末端設(shè)備及裝修桿件，提高車站公共區(qū)空間利用率及乘客出行舒適度，車站站廳層公共區(qū)需布置綜合承載系統(tǒng)。站廳層公共區(qū)綜合承載系統(tǒng)主要利用沿車站站廳層公共區(qū)設(shè)置大橫擔(dān)，各專業(yè)管線和末端設(shè)備分別布置于橫擔(dān)上方及吊掛于橫擔(dān)下方；橫擔(dān)一側(cè)與車站側(cè)墻連接，并通過若干豎桿與頂板連接；綜合各專業(yè)管線間距要求及末端設(shè)備安裝位置，設(shè)置統(tǒng)一的橫擔(dān)間距（局部橫擔(dān)間距微調(diào)）；利用與側(cè)墻連接抵抗沿車站橫向水平向地震力，沿車站縱向水平地震力通過設(shè)置縱向抗震支架[3]來抵抗。

2 綜合承載方案主要特點(diǎn)

2.1 大橫擔(dān)設(shè)置

沿車站站廳層公共區(qū)橫向設(shè)置大橫擔(dān)，各專業(yè)管線均布置于橫擔(dān)上，橫擔(dān)一側(cè)與車站側(cè)墻連接，并通過若干豎桿與頂板連接；末端設(shè)備考慮結(jié)合綜合承載系統(tǒng)平面設(shè)置，末端設(shè)備位置與設(shè)計(jì)有沖突時(shí)，根據(jù)綜合大橫擔(dān)的位置做調(diào)整或局部位置無法調(diào)整可以微調(diào)綜合承載系統(tǒng)的位置。

為減小橫擔(dān)跨度及改善橫擔(dān)受力狀況，應(yīng)結(jié)合綜合管線布置及受力計(jì)算，合理布置豎桿數(shù)量及位置，并選擇經(jīng)濟(jì)合理的橫擔(dān)斷面規(guī)格。

2.2 統(tǒng)一橫擔(dān)間距

地鐵車站各專業(yè)管線眾多，綜合各專業(yè)管線間距要求，設(shè)置統(tǒng)一的橫擔(dān)間距對于部分突破相關(guān)機(jī)電專業(yè)規(guī)范所要求最大間距的管線，可與廠家溝通對相應(yīng)管線進(jìn)行特殊形式改造來適應(yīng)統(tǒng)一的橫擔(dān)間距。

2.3 裝修吊桿布置

參考綜合承載系統(tǒng)進(jìn)行管線及支架設(shè)計(jì)的車站，可采用裸裝裝修方案。對于車站采用裝修方案的情況，裝修吊桿可利用大橫擔(dān)及支吊架轉(zhuǎn)換層吊掛。

綜合承載系統(tǒng)方案下的裝修吊桿無須吊掛于車站頂板，一定程度上節(jié)省了吊桿材料，吊桿安裝的可操作性大大增強(qiáng)。

2.4 抗震斜撐設(shè)置

管線支架作為一種常見的附屬機(jī)電設(shè)備及管道系統(tǒng)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，需考慮地震工況下的縱橫向應(yīng)力響應(yīng)，其安全性也越來越受到重視[4]。

傳統(tǒng)綜合支吊架橫擔(dān)與車站側(cè)墻脫開，因此需要另設(shè)橫向抗震斜撐；綜合承載系統(tǒng)支架橫擔(dān)與側(cè)墻相連，能夠承擔(dān)側(cè)向水平地震作用，故可不另設(shè)橫向抗震斜撐；沿車站縱向在豎桿兩側(cè)對稱設(shè)置縱向抗震支架來抵抗縱向水平地震作用，如圖1 所示。

圖1 抗震斜撐布置

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)原則

（1）在滿足各個(gè)專業(yè)間距構(gòu)造要求和結(jié)構(gòu)安全前提下，綜合承載系統(tǒng)支吊架設(shè)計(jì)達(dá)到最經(jīng)濟(jì)，需進(jìn)行強(qiáng)度和撓度驗(yàn)算。

（2）吊桿按軸心受拉構(gòu)件計(jì)算。

（3）所有管道宜采用上支撐形式。

（4）綜合承載系統(tǒng)支吊架設(shè)計(jì)應(yīng)考慮地震工況和重力工況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

3.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）橫擔(dān)撓度按照不大于L/200 控制（L 為橫梁的跨度，對懸臂梁和伸臂梁為懸伸長度的2 倍）。

（2）綜合承載系統(tǒng)支吊架安全等級為一級，重要性系數(shù)為1.1。

（3）底座四周預(yù)留安裝邊距不小于100mm。

（4）綜合承載系統(tǒng)支吊架耐腐年限不低于20 年。

（6）綜合承載系統(tǒng)支吊架設(shè)計(jì)參數(shù)：以具體產(chǎn)品為準(zhǔn)。

3.3 計(jì)算模型

（1）邊界條件：支座處與混凝土板鉸接，橫桿與豎桿連接處橫桿鉸接、豎桿連續(xù)。

（2）橫擔(dān)及立桿截面：根據(jù)水平間距及荷載大小、跨度大小靈活選取。

3.4 重力工況設(shè)計(jì)

3.4.1 荷載分項(xiàng)系數(shù)

（1）基本組合下，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.3。

（2）標(biāo)準(zhǔn)組合下，荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.0。

將Y=1.2 m處各個(gè)測點(diǎn)的實(shí)測速度與通過Airpak模擬得出的速度進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者誤差不大，證明Airpak可準(zhǔn)確地模擬出室內(nèi)熱環(huán)境，可靠性較高.

3.4.2 典型計(jì)算算例

（1）綜合承載系統(tǒng)計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 綜合承載系統(tǒng)計(jì)算模型

橫擔(dān)編號H，豎桿編號S，抗震斜撐編號X，各桿件主要物理特性如表1 所示。

表1 綜合承載系統(tǒng)各桿件物理特性

（2）綜合承載系統(tǒng)荷載計(jì)算。

綜合承載系統(tǒng)中支架間距取3.0m，經(jīng)計(jì)算，管線荷載如表2 所示。

表2 綜合承載系統(tǒng)模型中管線荷載匯總

橫擔(dān)與豎桿等桿件荷載由程序自動(dòng)考慮，揚(yáng)聲器及攝像頭荷載忽略不計(jì)，裝修荷載考慮每個(gè)吊點(diǎn)按1.4kN 考慮（已包含燈具等）。

（3）重力工況計(jì)算結(jié)果。

對支架進(jìn)行有限元建模分析，重力工況下的計(jì)算結(jié)果顯示（表3），桿件內(nèi)力及變形均滿足規(guī)范要求。

表3 重力工況計(jì)算結(jié)果

3.5 地震工況設(shè)計(jì)

3.5.1 地震力計(jì)算

參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016 版）》（GB 50011—2010）第13 章及《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第8 章相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算[5～6]。

（1）抗震支吊架地震作用效應(yīng)（包括自身重力產(chǎn)生的效應(yīng)和支座相對位移產(chǎn)生的效應(yīng)）和其他效應(yīng)的基本組合時(shí)，重力荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.3，水平地震作用效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)為1.4。

（2）等效抗側(cè)力法：等效抗側(cè)力法實(shí)質(zhì)是擬靜力分析方法，當(dāng)采用等效抗側(cè)力法時(shí)，水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：F=γηξ1ξ2αmaxG，式中各參數(shù)詳見《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》。

3.5.2 綜合承載系統(tǒng)抗震計(jì)算

（1）綜合承載系統(tǒng)抗震計(jì)算模型。

橫向抗震計(jì)算模型及桿件規(guī)格同重力工況。

綜合承載系統(tǒng)縱向抗震模型在重力工況模型基礎(chǔ)上沿車站縱向增設(shè)兩道45°角斜撐固定于頂板上，如圖1 中所示。斜撐規(guī)格詳見表1，其余桿件規(guī)格同重力工況。

（2）綜合承載系統(tǒng)抗震荷載計(jì)算。

①支架間距3.0m，側(cè)向抗震支吊架間距9.0m。水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值F=γηξ1ξ2αmaxG，經(jīng)計(jì)算，γηξ1ξ2αmax=0.448＜0.5，按《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》8.2.5 條文說明取αEk=0.5，則F=0.5×3×29.272kN=43.91kN。②支架間距3.0m，縱向抗震支吊架間距18.0m。水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值F=γηξ1ξ2αmaxG，經(jīng)計(jì)算，γηξ1ξ2αmax=0.448＜0.5，按《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》8.2.5 條文說明取αEk=0.5，則F=0.5×6×29.272kN=87.816kN，每個(gè)節(jié)點(diǎn)水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值為87.816kN/5=17.56kN。③管線自重同重力工況。

（3）綜合承載系統(tǒng)抗震計(jì)算結(jié)果。

對綜合承載系統(tǒng)進(jìn)行有限元建模分析，地震工況下的計(jì)算結(jié)果顯示（表4、表5），桿件內(nèi)力及變形均滿足要求。

表4 橫向地震工況計(jì)算結(jié)果

表5 縱向地震工況計(jì)算結(jié)果

3.6 設(shè)計(jì)方案

（1）在綜合管線精細(xì)化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，明確站廳層公共區(qū)范圍內(nèi)橋架、風(fēng)管、水管均為單層平鋪于綜合承載系統(tǒng)橫擔(dān)上。

（2）結(jié)合受力分析及經(jīng)濟(jì)比選，確定綜合承載系統(tǒng)橫擔(dān)規(guī)格及豎桿布置方式；綜合考慮不同專業(yè)管線對綜合支吊架間距要求，最終確定綜合承載系統(tǒng)沿車站縱向間距為3m。

（3）確定綜合承載系統(tǒng)的間距后，在保證設(shè)備專業(yè)功能需求的前提下，將燈具、導(dǎo)向標(biāo)識、裝修等懸掛于綜合橫擔(dān)下部，根據(jù)綜合承載系統(tǒng)的間距調(diào)整末端設(shè)備的布置（局部微調(diào)）。

（4）靠近車站側(cè)墻一側(cè)綜合承載系統(tǒng)橫擔(dān)通過側(cè)向支座與側(cè)墻相連，無須設(shè)置橫向抗震斜撐；沿車站縱向在豎桿兩側(cè)對稱設(shè)置縱向抗震斜撐。

4 結(jié)語

地鐵車站的綜合管線、末端設(shè)備及管線支架設(shè)計(jì)不斷精細(xì)化，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)探索可提升車站站廳公共區(qū)整體觀感與體驗(yàn)的支架形式，提高乘客的乘車舒適度，形成新的設(shè)計(jì)與安裝標(biāo)準(zhǔn)。

地鐵車站站廳層公共區(qū)采用前述綜合承載方案后，設(shè)計(jì)方面可整合優(yōu)化各專業(yè)管線、末端設(shè)備及裝修方案，有助于車站站廳層公共區(qū)管線及支架的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與安裝；經(jīng)濟(jì)方面可減少材料浪費(fèi)，同時(shí)可以改善車站運(yùn)營維護(hù)人員工作條件，降低維護(hù)難度，減少人力投入；社會(huì)效益方面，可提高乘客舒適度。因此，站廳層公共區(qū)綜合承載方案可在節(jié)省建設(shè)成本的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升軌道交通工程建設(shè)質(zhì)量，形成新的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。