CN105971005A - 明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构，包括：边墙，设置在地下通道的两侧；顶梁，为弧形结构，通过两侧的边墙支撑在地下通道的顶端，所述顶梁的跨度至少大于20米；顶板，为与所述顶梁对应的弧形结构，设置在所述顶梁的上方，用于封闭所述地下通道的上部；预应力索，设置在所述顶梁的下方，用于连接所述顶梁的两个拱脚，以对所述拱脚施加一个水平拉力；底拱，铺设在所述地下通道的底部。本发明中通过预应力索可以实现顶梁超过20米的大跨度，提高了每层地铁通道的高度，为行人提供了更宽敞的空间。

Description

明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构

技术领域

本发明涉及地下工程的管廊建设领域，特别是涉及一种利用明挖法建设大跨度双拱形的地铁通道，在提高通道高度的同时延长结构的使用年限。

背景技术

地铁车站按照施工方法可分为明挖法、盖挖法、暗挖法和盾构法施工的车站结构。

现有明挖法设计的地铁车站通用的框架结构，其顶梁一般采用正常平梁、板的结构形式，该结构若想要形成无柱的大跨度，则对于22m跨的明挖法地下结构来说，即使在顶梁内部安装应力筋，其高度仍然超过1.8m相当于占掉1/4的通道空间，并且自重较大，跨中挠度如果较大则会产生裂缝，而且应力筋随时间的增长其强度损失会加大，无法保证结构的持续安全性，因此，现有地铁通道的建筑结构，没有最大限度发挥混凝土的抗压性能，而且施工工期长、工序复杂，建好后的通道在视觉上也给人以压抑的感觉。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于明挖法的大跨度双拱地铁车站，在提高通道高度的同时延长结构的使用年限。

特别地，本发明提供明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构，包括：

边墙，设置在地下通道的两侧；

顶梁，为弧形结构，通过两侧的边墙支撑在地下通道的顶端，所述顶梁的跨度至少大于20米；

顶板，为与所述顶梁对应的弧形结构，设置在所述顶梁的上方，用于封闭所述地下通道的上部；

预应力索，设置在所述顶梁的下方，用于连接所述顶梁的两个拱脚，以对相对的两个所述拱脚施加一个水平拉力；

底拱，铺设在所述地下通道的底部，所述底拱的截面为弧形结构，且所述底拱的顶部朝向地面一侧，弯曲方向朝向所述中板梁，在所述底拱的弯曲面设置有连接两端侧边的拉索，在所述拉索的上方铺设有底板。

进一步地，在所述顶梁和/或所述底拱的两端内预埋有锚锭，所述锚锭为锥形体，在锚锭上设置有由锥尖垂直穿过锥底的贯穿孔，同一所述顶梁或所述底拱两侧的所述锚锭的锥尖一端相对；所述预应力索或所述拉索的两端分别穿过所述锚锭上的贯穿孔后固定。

进一步地，在所述锚锭的锚底一面设置有提高所述预应力索或所述拉索受力强度的承压板。

进一步地，所述顶梁有多个且间隔分布，相邻所述顶梁之间的距离小于3米。

进一步地，所述顶梁与所述边墙为一体式现浇构成或分开浇筑构成；固定同一所述顶梁的所述预应力索设置有1～2道，固定同一所述底拱上的所述拉索设置有1～2道。

进一步地，在所述底拱的径向两侧设置有安装维护所述拉索的维护通道。

进一步地，在所述拱脚内固定所述预应力索的贯穿孔周边，设置有安装备用预应力索的备用孔，所述备用孔设置有1～3个且围绕所述贯穿孔对称分布。

进一步地，在所述底拱与所述顶梁形成的通道内，间隔地设置有支撑所述顶梁的支撑柱。

进一步地，所述预应力索的拉力采用下式计算：

$T=\frac{{\mathrm{ql}}^2}{8f}\frac{1}{1+\frac{15}{8}\frac{EI}{E_1{I}_1{f}^2}}$

其中，T为预应力索的拉力，q为顶梁的荷载设计值，i为跨度，f为失高，E、I为顶梁的弹模和截面惯性矩，E₁、I₁为预应力索的弹模和截面惯性矩。

进一步地，所述顶梁的弯矩采用下式计算：

$M=Tf-\frac{{\mathrm{ql}}^2}{8}$

$\mathrm{\σ}=\frac{M}{I}b=\frac{M}{W}$

σ≤0.8f_t

其中，M为顶梁的拱顶弯矩计算值，W为顶梁截面抵抗矩，b为顶梁高度的一半，f_t为混凝土抗拉强度设计值，0.8为折减系数，σ为顶梁上边缘混凝土拉应力。

本发明中，顶梁可以承受外载荷与自重产生的压应力，而预应力索通过施加拉应力，则进一步使顶梁失高变大，充分发挥了混凝土材料受压的特点。而且采用预应力索后可以实现顶梁超过20米的大跨度，提高了每层地铁通道的高度，为行人提供了更宽敞的空间。本发明的联合结构受力明确合理，结构简单，可充分发挥拱、索两种结构的抗力特点，在降低梁高的情况下，同时减轻自重，完全避免平梁、板的结构在弯矩过大时，所造成的梁的下缘混凝土拉裂和上缘压碎的现象。此外，本发明通过备用孔还可实现预应力索的修复，大大提高地铁通道的使用年限。

附图说明

图1是本发明一个实施例的明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构的径向截面示意图；

图2是本发明另一实施例的底拱采用弧形钢筋笼的结构示意图；

图3是本发明一个实施例中锚锭的安装结构示意图；

图4是图1所示顶梁间隔排列的结构示意图；

图5是本发明一个实施例中备用预应力索的安装位置示意图；

图6是本发明一个实施例中备用预应力索的另一安装位置示意图；

图7是本发明一个实施例中备用预应力索的再一安装位置示意图；

图8是本发明一个实施例中备用预应力索的又一安装位置示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一个实施例的明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构一般性地包括，设置在地下通道内用于支撑防止侧壁土石塌陷的边墙30，设置在地下通道的最顶端以承接上方荷载的顶板10，通过两侧的边墙30支撑在顶板10下方的顶梁20，和设置在顶梁20的下方用于和边墙30连接的拱脚21，和支撑整个地下通道的底拱40，以及对顶梁20施加一个水平拉力的预应力索22。

更进一步地，在顶梁20与底拱40形成的通道中，还可以间隔地设置支撑顶梁20的支撑柱53。支撑柱53可以克服顶板10自身的沉降，支撑柱53的设置方式，可以根据顶梁20的数量，在一列上间隔设置。一般是间隔5～10米设置一根支撑柱53。

该底拱40位于地下通道的底部，用于为上方的边墙30等部件提供支撑基础，同时也可以作为人行通道或地铁通道的路面。

底拱40的截面可以为弧形结构，且底拱40的顶部朝向地面一侧，而弯曲方向朝向顶梁20，在底拱40的弯曲面设置有连接两端侧边的拉索41，在拉索41的上方铺设有底板42。通过反拱的结构，可以使底拱40提高抵抗地面产生的向上的压应力的效果，利用拉索41可以使底板42施加到底拱40上的作用力传递到拱顶，进而与地面的压应力抵消。底板42铺设在底拱40的拉索41上方并不影响拉索41发挥作用，具体底板42两端的铺设位置可以是底拱40两个朝上的端面，也可以是直接铺设在底拱40的弯曲面内。进一步地，还可以在底拱40内间隔设置支撑底板42的支柱。为方便更换和安装拉索41，可以在底拱40的径向两侧边设置相应的维护通道43。

进一步地，如图2所示，在其它的实施例中，该底拱40的截面也可以为矩形，在底拱40内作为骨架的钢筋笼43为向地下方向弯曲的弧形结构。由于地面会向底拱40施加一个向上的压应力，该压应力会导致平板形状的底拱40产生一个向上的弯距，进而使底拱40的上表面开裂。如果直接采用向地下弯曲的底拱40，则需要将地面挖掘出相应的形状，会增加大量的工作量。本实施例中，底拱40还是采用平板结构，但是内部的钢筋笼43采用弧形结构，向下弯曲的钢筋笼43即可抵消地面对底拱40产生的压应力，从而消除底拱40所受到的弯距影响，延长底板40的使用寿命。

本实施例的方案能够降低地下通道的梁高，减轻自重，预应力索22可使顶梁20的失高变大，同时实现超过20米跨度的拱结构，完全发挥了混凝土的受压性能，可承担更大的压力，避免了现有技术中，当采用平梁结构在弯矩过大时，所造成平梁的下缘混凝土拉裂或上缘压碎的现象。

本实施例采用预应力索+拱梁的联合结构，充分利用混凝土受压与预应力索22受拉的材料特点，由顶梁20通过顶板10承受外力及混凝土自重，顶梁20通过顶板10来调节承受的内力，使顶梁20基本上只受压应力，既使有拉应力也很小，完全满足混凝土抗拉强度的要求，而结构中外载产生的拉应力完全由预应力索22来承受。

针对不同的施工空间条件与有关要求，采用明确的计算方法，可以设计出顶梁20合理的拱高及与预应力索22配置的最优方案。本实施例能够提高地铁通道占地面积的利用率、提供更大的空间和舒适度、降低造价、缩短施工工期，实现大跨度等要求。

本实施例中的预应力索22可以采用钢绞线、高强度钢材和非金属材料构成。此外，顶梁20与预应力索22之间的空间还可以用于安装轻型设备，如管路线路等，以充分利用拱结构上部的空间。

如图3所示，进一步地，为提高顶梁20和底拱40的受拉强度，在本发明的一个实施例中，在固定预应力索22的拱脚21内预埋锥形的锚锭60，该锚锭60上设置有由锥尖垂直穿过锥底的贯穿孔61，同一顶梁20或底拱40两侧的边墙30上相对的两个锚锭60的锥尖一端相对。预应力索22穿过锚锭60上的贯穿孔61后，再由两侧的边墙30外侧面露出，然后利用锁定件62固定在边墙30的外侧面。具体预应力索22安装位置可以与顶梁20的中心轴线位置对应。此外，为提高预应力索22的固定强度，可以在边墙30的外侧面的预应力索22穿过处，设置提高受力面积的承压板56。承压板56上可以设置与贯穿孔61对应的固定孔，预应力索22同时穿过边墙30的贯穿孔61和承压板56的固定孔，再利用锁定件62进行锁定。为提高顶梁20的强度，该顶梁20与边墙30可以是一体式现浇构成。也可以采用分开浇筑结构。具体预应力索22的数量可以根据顶梁20的跨度及承重情况设置1～2道。同样，底拱40上的拉索41也可以设置1～2道。

如图4所示，进一步地，在本发明的一个实施例中，为均匀分担顶板10所受的压力，该顶梁20可以设置多个，且各顶梁20间隔地分布在地下通道的顶部，相邻顶梁20之间的距离至少为3米。

如图5-8所示，进一步地，当预应力索22在使用一段年限后，其材料会老化或达不到预定强度。为既能及时更换预应力索22又不影响此处的受力结构。在本发明的一个实施例中，可以在顶梁20或底供40的固定预应力索22的贯穿孔61周边，设置安装备用预应力索的备用孔57，该备用孔57可以设置1～3个且围绕贯穿孔61对称分布。当预应力索22需要更换时，可以利用备用孔57先安装备用预应力索，以将顶梁20施加的拉力转移到备用预应力索上，然后对此处的预应力索22进行更换，更换完毕后，再卸下备用预应力索。本实施例对地铁通道的可修复性设计结构，能够在预应力索22有损伤或者应力损失过大而不满足要求时，立即启用备用预应力索。由于地下结构是百年工程，需要充分考虑在应力损失较大时，和遇到突发特殊荷载作用下，本结构能够经过简单的快速换索进行修复，使地铁车站结构能够继续维持最佳状态，此外，本实施例的修复可以是在地铁车站正常运营的情况下进行的，完全不耽误地铁的正常运行。此处，底拱40上拉索41的更换可以采用同样的方式，这里不再重复。

具体地备用孔57的设置方式，可以是如图5所示，上方两个贯穿孔61安装两条正常使用的预应力索22，而下方的两个为备用孔57，用于在上方的预应力索22出现问题时，安装临时的备用预应力索。图6为仅安装一条预应力索22的结构，上方为固定预应力索22的贯穿孔61，而下方两个则为备用孔57。图7为安装一条预应力索22的结构两个备用孔57对称地分布在该贯穿孔61的左右两侧。而图8同样为仅安装一条预应力索22的结构，此处备用预应力索也可以仅设置一个，所以备用孔57只设置一个。另外，备用孔57的设置位置可以避开锚锭60的位置。

在本发明的一个实施例中，地铁车站联合结构的整体结构体-围岩的计算分析，可以采用有限元程序进行计算分析，同时也采用结构简化原理，进行解析计算，得到预应力索22的内力、顶梁20内力与顶梁20高度的关系。

该预应力索2的拉力可以采用下式计算：

$T=\frac{{\mathrm{ql}}^2}{8f}\frac{1}{1+\frac{15}{8}\frac{EI}{E_1{I}_1{f}^2}}$

其中，T为预应力索22的拉力，q为顶梁的荷载设计值，i为顶梁的跨度，f为失高，E、I为顶梁的弹模和截面惯性矩，E₁、I₁为预应力索22的弹模和截面惯性矩。

通过上述参数即可以确认当前地下通道所使用的预应力索22是否满足安装条件。

进一步地，在采用前述预应力索22的条件下，该顶梁20的弯矩可以采用下式计算：

$M=Tf-\frac{{\mathrm{ql}}^2}{8}$

$\mathrm{\σ}=\frac{M}{I}b=\frac{M}{W}$

σ≤0.8f_t

其中，M为顶梁20的拱顶弯矩计算值，W为顶梁截面抵抗矩，b为顶梁高度的一半，f_t为混凝土抗拉强度设计值，0.8为折减系数，σ为顶梁上边缘混凝土拉应力。

通过上述公式，利用地下通道已知的各种参数，即可得到顶梁20的失高及承压情况。

同样，底拱40的计算也可以参考上述计算方式。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构，其特征在于，包括：

边墙，设置在地下通道的两侧；

顶梁，为弧形结构，通过两侧的边墙支撑在地下通道的顶端，所述顶梁的跨度至少大于20米；

顶板，为与所述顶梁对应的弧形结构，设置在所述顶梁的上方，用于封闭所述地下通道的上部；

预应力索，设置在所述顶梁的下方，用于连接所述顶梁的两个拱脚，以对相对的两个所述拱脚施加一个水平拉力；

底拱，铺设在所述地下通道的底部，所述底拱的截面为弧形结构，且所述底拱的顶部朝向地面一侧，弯曲方向朝向所述中板梁，在所述底拱的弯曲面设置有连接两端侧边的拉索，在所述拉索的上方铺设有底板。

2.根据权利要求1所述的明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构，其特征在于，

在所述顶梁和/或所述底拱的两端内预埋有锚锭，所述锚锭为锥形体，在锚锭上设置有由锥尖垂直穿过锥底的贯穿孔，同一所述顶梁或所述底拱两侧的所述锚锭的锥尖一端相对；所述预应力索或所述拉索的两端分别穿过所述锚锭上的贯穿孔后固定。

3.根据权利要求2所述的明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构，其特征在于，

在所述锚锭的锚底一面设置有提高所述预应力索或所述拉索受力强度的承压板。

4.根据权利要求1所述的明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构，其特征在于，

所述顶梁有多个且间隔分布，相邻所述顶梁之间的距离小于3米。

5.根据权利要求1所述的明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构，其特征在于，

所述顶梁与所述边墙为一体式现浇构成或分开浇筑构成；固定同一所述顶梁的所述预应力索设置有1～2道，固定同一所述底拱上的所述拉索设置有1～2道。

6.根据权利要求1所述的明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构，其特征在于，

在所述底拱的径向两侧设置有安装维护所述拉索的维护通道。

7.根据权利要求1所述的明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构，其特征在于，

在所述拱脚内固定所述预应力索的贯穿孔周边，设置有安装备用预应力索的备用孔，所述备用孔设置有1～3个且围绕所述贯穿孔对称分布。

8.根据权利要求1所述的明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构，其特征在于，

在所述底拱与所述顶梁形成的通道内，间隔地设置有支撑所述顶梁的支撑柱。

9.根据权利要求1所述的明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构，其特征在于，

所述预应力索的拉力采用下式计算：

$T=\frac{{\mathrm{ql}}^2}{8f}\frac{1}{1+\frac{15}{8}\frac{EI}{E_1{I}_1{f}^2}}$

其中，T为预应力索的拉力，q为顶梁的荷载设计值，i为跨度，f为失高，E、I为顶梁的弹模和截面惯性矩，E₁、I₁为预应力索的弹模和截面惯性矩。

10.根据权利要求1所述的明挖法大跨度二拱二索地铁车站结构，其特征在于，

所述顶梁的弯矩采用下式计算：

$M=Tf-\frac{{\mathrm{ql}}^2}{8}$

$\mathrm{\σ}=\frac{M}{I}b=\frac{M}{W}$

σ≤0.8f_t

其中，M为顶梁的拱顶弯矩计算值，W为顶梁截面抵抗矩，b为顶梁高度的一半，f_t为混凝土抗拉强度设计值，0.8为折减系数，σ为顶梁上边缘混凝土拉应力。