CN106049661A - 明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索‑拱联合结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索‑拱联合结构，包括：边墙，设置在地铁通道的两侧；拱梁，为弧形结构，通过两侧的边墙支撑在地铁通道的顶端，跨度至少为20米；顶板，为弧形结构，设置在所述拱梁的上部，用于封闭地铁通道的顶部；预应力索，设置在所述拱梁的下方，用于连接所述拱梁的两个拱脚，以对所述拱脚施加一个水平拉力。本发明中，拱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应力则进一步使拱梁失高变大，充分发挥混凝土材料受压的特点，该联合结构受力明确合理，结构简单、可修复、施工方便可行等优点，充分发挥两种构件材料的抗力特点，达到在地下结构中实现大跨度结构的目标。

Description

明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索-拱联合结构

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地铁地下车站，同时可延长使用年限的结构。

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。

就明挖法设计的地铁车站通用的框架结构来说，拱梁采用正常平梁、板的结构形式，结构若要形成无柱的大跨度，则对于22m跨的明挖法地下结构来说，拱梁内部施加应力筋，其高度仍然超过1.8m；尺寸太大，相当于占掉1/4的空间，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损失便会加大，无法保证结构的持续安全度，如此没有最大限度发挥混凝土的抗压和钢筋钢索的抗拉性能，施工的工期也长、工序复杂，此外，该结构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大跨度地铁明挖车站使用的拱-索联合结构。

特别地，本发明提供明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索-拱联合结构，包括：

边墙，设置在地铁通道的两侧；

拱梁，为弧形结构，通过两侧的边墙支撑在地铁通道的顶端，跨度至少为20米；

顶板，为弧形结构，设置在所述拱梁的上部，用于封闭地铁通道的顶部；

预应力索，设置在所述拱梁的下方，用于连接所述拱梁的两个拱脚，以对所述拱脚施加一个水平拉力。

进一步地，所述预应力索的两端分别固定在预埋在拱脚内的锚锭上，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，两侧所述边墙上的两个锚锭的锥尖一端相对。

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受力强度的承压板。

进一步地，所述拱梁有多个且间隔地分布，相邻所述拱梁之间的距离至少为3米。

进一步地，所述拱梁与所述边墙为一体式现浇构成或分开浇筑构成。

进一步地，所述预应力索设置有1～2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贯穿孔，所述备用贯穿孔设置有1～3个且围绕所述贯穿孔对称分布。

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为拱梁荷载设计值，i为跨度，f为失高，E、I为拱梁的弹模和截面惯性矩，E₁、I₁为索的弹模和截面惯性矩。

进一步地，所述拱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为拱顶弯矩计算值，W为拱梁截面抵抗矩，b为拱梁高度的一半，f_t为混凝土抗拉强度设计值，0.8为折减系数，σ为拱梁上边缘混凝土拉应力。

本发明中，拱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应力则进一步使拱梁失高变大，充分发挥混凝土材料受压的特点，该联合结构受力明确合理，结构简单、可修复、施工方便可行等优点，充分发挥两种构件材料的抗力特点，达到在地下结构(地铁车站为主)中实现大跨度结构的目标。

采用拱梁结构后，可以降低梁高，减轻自重，完全避免采用平梁、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。

附图说明

图1是本发明一个实施例的明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索-拱联合结构的径向截面示意图；

图2是本发明另一实施例的明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索-拱联合结构的径向截面示意图；

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所示拱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地铁车站无柱大跨度可修复预应力索-拱联合结构一般性地包括，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下方的拱梁20，和设置在拱梁20的下方用于连接拱梁20的拱脚以对拱脚施加一个水平拉力的预应力索40。

本实施例的方案能够降低梁高，减轻自重，预应力索40可使拱梁20失高变大，发挥混凝土的受压性能，承担更大的压力，完全避免现有技术中，当采用平梁、板的结构在弯矩过大时，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40受拉的材料特点，由拱梁20通过顶板10承受外力及混凝土自重，拱梁20通过顶板10来调节承受的内力，使拱梁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40来承受，使的跨度至少可以大于20米。

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，可以设计出拱梁20合理的拱高及与预应力索40配置的最优方案。本实施例能够提高占地面积利用率、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40可以采用钢绞线、高强度钢材和非金属材料构成。此外，拱梁20与预应力索40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，在本发明的一个实施例中，在固定预应力索40的拱脚内预埋锥形的锚锭50，该锚锭50上设置有由锥尖垂直穿过锥底的贯穿孔51，同一拱梁20两侧边墙30上的两个锚锭50的锥尖一端相对。贯穿孔51穿过两侧的边墙30，然后利用锁定件54固定在边墙30的外侧面。具体预应力索40安装位置可以与相应拱梁20的中心轴线位置对应。此外，为提高预应力索40的固定强度，可以在边墙30的外侧面的预应力索40穿过处，设置提高受力面积的承压板52。承压板52上可以设置与贯穿孔51对应的通孔，预应力索40同时穿过边墙30的贯穿孔51和承压板52的通孔，再利用锁定件54进行锁定。为提高拱梁20的强度，该拱梁20与边墙30可以是一体式现浇构成。也可以采用如图2所示的分开浇筑结构。具体预应力索40的数量可以根据拱梁20的长度设置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，该拱梁20可以设置多个，且各拱梁20间隔地分布在地下通道的顶部，相邻拱梁20之间的距离至少为3米。

如图5-8所示，进一步地，为在预应力索40出现问题时能够及时更换，在本发明的一个实施例中，可以在拱脚固定预应力索40的贯穿孔51周边，设置安装备用预应力索的备用贯穿孔53，该备用贯穿孔53可以设置1～3个且围绕贯穿孔51对称分布。当预应力索40在使用一定年限而出现损伤时，可以利用备用贯穿孔53安装备用预应力索，将拱梁20施加的拉力转移到备用预应力索上，然后对原预应力索40进行更换，更换完毕后，再取下备用预应力索。本实施例的可修复性的设计结构，能够在预应力索40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，使地铁车站能够继续进行工作，而且修复是在保证地铁车站正常工作的情况下进行的，完全不耽误地铁的正常运行。

其中，图5中，上方两个贯穿孔51安装两条正常使用的预应力索40，而下方的两个为备用贯穿孔53，用于在上方的预应力索40出现问题时，安装临时的备用预应力索。图6中，仅安装一条预应力索40，上方为固定预应力索40的贯穿孔51，而下方两个则为备用贯穿孔53。图7中，安装一条预应力索40，两个备用贯穿孔53对称地分布在贯穿孔51的左右两侧。而图8中的预应力索40仅安装一条，因此，备用贯穿孔53也可以只设置一个。

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40的内力、拱梁内力与拱梁高度的关系。

该预应力索40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为预应力索的拉力，q为拱梁荷载设计值，i为跨度，f为失高，E、I为拱梁的弹模和截面惯性矩，E₁、I₁为索的弹模和截面惯性矩。

通过上述参数即可以确认当前地下坑道所使用的预应力索基本满足的条件。

进一步地，在采用前述预应力索40的条件下，该拱梁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为拱顶弯矩计算值，W为拱梁截面抵抗矩，b为拱梁高度的一半，f_t为混凝土抗拉强度设计值，0.8为折减系数，σ为拱梁上边缘混凝土拉应力。

通过上述公式，利用地铁车站已知的各种参数，即可得到拱梁20的失高及承压情况。

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 (9)

1.明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索-拱联合结构，其特征在于，包括：

边墙，设置在地铁通道的两侧；

拱梁，为弧形结构，通过两侧的边墙支撑在地铁通道的顶端，跨度至少为20米；

顶板，为弧形结构，设置在所述拱梁的上部，用于封闭地铁通道的顶部；

预应力索，设置在所述拱梁的下方，用于连接所述拱梁的两个拱脚，以对所述拱脚施加一个水平拉力。

2.根据权利要求1所述的明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索-拱联合结构，其特征在于，

所述预应力索的两端分别固定在预埋在拱脚内的锚锭上，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，两侧所述边墙上的两个锚锭的锥尖一端相对。

3.根据权利要求2所述的明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索-拱联合结构，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受力强度的承压板。

4.根据权利要求1所述的明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索-拱联合结构，其特征在于，

所述拱梁有多个且间隔地分布，相邻所述拱梁之间的距离至少为3米。

5.根据权利要求1所述的明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索-拱联合结构，其特征在于，

所述拱梁与所述边墙为一体式现浇构成或分开浇筑构成。

6.根据权利要求1所述的明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索-拱联合结构，其特征在于，

所述预应力索设置有1～2道。

7.根据权利要求1所述的明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索-拱联合结构，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贯穿孔，所述备用贯穿孔设置有1～3个且围绕所述贯穿孔对称分布。

8.根据权利要求1所述的明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索-拱联合结构，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为拱梁荷载设计值，i为跨度，f为失高，E、I为拱梁的弹模和截面惯性矩，E₁、I₁为索的弹模和截面惯性矩。

9.根据权利要求1所述的明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索-拱联合结构，其特征在于，

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