劉常浩，楊 勇，鞏一凡

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092； 2.上海軌道交通15號線發(fā)展有限公司，上海 200000)

0 引言

地下空間開發(fā)在擴(kuò)大城市空間、緩解城市交通壓力等方面顯示了其獨特的優(yōu)越性，城市地下空間特別是地下交通設(shè)施的建設(shè)發(fā)展迅速?？紤]到乘客的舒適性以及提升車站功能，現(xiàn)代地鐵車站以大空間、大跨度、注重功能和舒適實用為發(fā)展方向，并充分利用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，體現(xiàn)出現(xiàn)代化交通建筑類結(jié)構(gòu)物的特點。

近年來一些地鐵車站已開始探索使用無柱大跨結(jié)構(gòu)，如青島地鐵3號線保兒站、廣州地鐵2號線市二宮站、大連地鐵興工街站、北京地鐵亦莊線宋家莊站—肖村橋站等就采用了無柱式地鐵車站。

劉明保等基于對無柱大跨地鐵車站建筑及結(jié)構(gòu)特點與選型的闡述，結(jié)合廣州地鐵工程實際對大跨度車站結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計中的難點進(jìn)行探討，并提出了采取的構(gòu)造措施；林作忠介紹了廣州地鐵2號線大跨度無柱車站的結(jié)構(gòu)選型，并探討了無柱大跨地鐵車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計難點和應(yīng)釆取的構(gòu)造措施，認(rèn)為是否采用大跨度無柱車站需因地制宜綜合比選，研究成果有助于無柱大跨地鐵車站的進(jìn)一步發(fā)展。

從研究現(xiàn)狀看，針對無柱大跨新型結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測分析研究較少，特別是建造于軟土復(fù)雜地區(qū)的地鐵車站。因此，本文針對無柱大跨度新型地鐵車站結(jié)構(gòu)特點開展結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測分析，為探索新的設(shè)計思路提供技術(shù)支持。

1 工程概況

上海軌道交通15號線吳中路站位于桂林路(吳中路—蒲匯塘)，為地下車站，該工程位于古河道沉積區(qū)，在65.43m深度范圍內(nèi)地基土屬第四紀(jì)晚更新世及全新世沉積物，主要由黏性土、粉性土和砂土組成，分布較穩(wěn)定，具有成層分布的特點。擬建場地地下水類型主要為松散巖類孔隙水，孔隙水按形成時代、成因和水理特征可劃分為潛水含水層、(微)承壓含水層。為減少地鐵車站施工對上部居民出行的影響，創(chuàng)造地下車站大空間效果，降低人處于地下空間的壓抑感，提高乘客的舒適感、空間感，該站采用大跨度無中柱地鐵車站結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

圖1 吳中路無柱大跨車站橫截面

2 監(jiān)測內(nèi)容與測點布置

無柱大跨車站結(jié)構(gòu)由于取消了站內(nèi)立柱，中板結(jié)構(gòu)跨度達(dá)23m，在車站施工和運營階段，中板承受各類豎向荷載，且在不利工況下局部可能存在拉彎受力狀態(tài)，為本次重點監(jiān)測對象。按照相關(guān)規(guī)范對中板進(jìn)行了系統(tǒng)的安全監(jiān)測，重點關(guān)注中板-側(cè)墻接頭、中板跨中等關(guān)鍵部位的內(nèi)力和變形，進(jìn)而對車站整體結(jié)構(gòu)的施工全過程響應(yīng)進(jìn)行研究。監(jiān)測斷面共計布置10個鋼筋應(yīng)力測點(S1～S10)和10個混凝土應(yīng)變測點(C1～C10)，分別布置在中板結(jié)構(gòu)的西側(cè)中板-側(cè)墻節(jié)點、中板西側(cè)1/4跨度位置，中板跨中、中板東側(cè)1/4跨度位置以及東側(cè)中板-側(cè)墻節(jié)點，實現(xiàn)對整個無柱大跨度中板結(jié)構(gòu)的內(nèi)力監(jiān)測。具體測點布置如圖2所示。監(jiān)測分析工況如表1所示。

圖2 無柱大跨度中板內(nèi)力監(jiān)測點布置

表1 監(jiān)測分析工況與施工進(jìn)度

大跨度中板結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測點布設(shè)，在中板混凝土澆筑之前，分別在中板結(jié)構(gòu)上排和下排鋼筋位置布設(shè)1組鋼筋應(yīng)力與混凝土應(yīng)變監(jiān)測點。鋼筋應(yīng)變計與結(jié)構(gòu)受力主筋采用焊接連接的方式，使兩者協(xié)同受力，確保應(yīng)變計可以反映受力主筋的真實受力情況，混凝土應(yīng)變計采用綁扎形式與結(jié)構(gòu)受力主筋連接，澆筑混凝土后即與結(jié)構(gòu)形成整體，對受力主筋附近的混凝土應(yīng)變進(jìn)行高精度測量。

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 無柱大跨受拉中板混凝土應(yīng)變隨施工進(jìn)程曲線匯總分析

對吳中路站無柱大跨受拉中板上側(cè)和下側(cè)的混凝土應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間變化的結(jié)果進(jìn)行匯總，得到監(jiān)測設(shè)計斷面中板混凝土應(yīng)變隨施工進(jìn)程的變化曲線，如圖3所示。

圖3 吳中路站無柱大跨受拉中板混凝土應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果

由圖3可知，在結(jié)構(gòu)拆模過程中，此時荷載主要為中板結(jié)構(gòu)的自重作用，大部分混凝土應(yīng)變測點均處于受拉狀態(tài)，尤其是混凝土中板-側(cè)墻節(jié)點上部混凝土?xí)a(chǎn)生較大的拉應(yīng)變，存在裂縫開展的可能。隨著施工的進(jìn)行，中板混凝土強度不斷提高，并逐漸與側(cè)墻混凝土連成一體，結(jié)構(gòu)在較大水土壓力作用下，除個別節(jié)點外，均逐漸呈現(xiàn)一種全斷面受壓的趨勢?；炷猎谑軌籂顟B(tài)下有很好的力學(xué)性能，此時中板結(jié)構(gòu)處于比較安全的狀態(tài)。

3.2 無柱大跨受拉中板鋼筋應(yīng)力隨施工進(jìn)程曲線匯總分析

對吳中路站無柱大跨受拉中板上側(cè)和下側(cè)的鋼筋應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間變化的結(jié)果進(jìn)行匯總，得到監(jiān)測設(shè)計斷面中板鋼筋應(yīng)力隨施工進(jìn)程的變化曲線，如圖4所示。

圖4 吳中路站無柱大跨受拉中板鋼筋應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果

由圖4可知，在結(jié)構(gòu)拆模過程中，此時的荷載主要為中板結(jié)構(gòu)的自重作用，鋼筋應(yīng)力較小，基本處于受拉狀態(tài)。隨著側(cè)墻以及頂板的施作，中樓板受力主筋與結(jié)構(gòu)其他部分更好地結(jié)合，形成共同受力的整體，因而鋼筋應(yīng)力開始出現(xiàn)較為明顯的增大，特別是中板-側(cè)墻節(jié)點處的鋼筋，在頂板施作后應(yīng)力顯著增大，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是吳中路站設(shè)計的拱形頂板對側(cè)墻有明顯的推力作用，推力傳導(dǎo)至中板使得中板-側(cè)墻節(jié)點產(chǎn)生拉力作用，應(yīng)注意對中板側(cè)墻節(jié)點的持續(xù)觀測。

4 內(nèi)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 無柱大跨中板斷面混凝土應(yīng)變分布隨施工進(jìn)程變化

選取吳中路站無柱大跨受拉中板整個斷面上側(cè)的混凝土應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)根據(jù)施工進(jìn)度進(jìn)行匯總，得到監(jiān)測設(shè)計斷面中板混凝土應(yīng)變隨施工工況變化曲線，如圖5所示。

圖5 吳中路站無柱大跨受拉中板斷面混凝土應(yīng)變測點應(yīng)變隨施工工況變化曲線

由圖5可知，在部分拆模階段，混凝土應(yīng)變測量結(jié)果呈現(xiàn)一定的對稱性，受力主筋應(yīng)力分布類似于兩端固定梁。主要由于側(cè)墻尚未施作，中板部件相對獨立，僅受自重作用，荷載呈現(xiàn)對稱特征。隨著側(cè)墻與頂板的施作，結(jié)構(gòu)東側(cè)混凝土呈現(xiàn)出壓應(yīng)變增大的趨勢，與西側(cè)形成一定差異，表明拱形頂板施作后，中板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了受力不對稱的情況。值得關(guān)注的是中板-側(cè)墻節(jié)點混凝土拉應(yīng)變較大，存在裂縫擴(kuò)展的可能。

4.2 吳中路站無柱大跨中板斷面鋼筋應(yīng)力分布隨施工進(jìn)程變化

選取吳中路站無柱大跨受拉中板整個斷面上側(cè)的鋼筋應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)根據(jù)施工進(jìn)度進(jìn)行匯總，得到監(jiān)測斷面中板鋼筋應(yīng)力隨施工工況變化曲線，如圖6所示。

圖6 無柱大跨受拉中板斷面鋼筋應(yīng)力隨施工工況變化曲線

由圖6可知，除現(xiàn)澆層施作時下排受力主筋的應(yīng)力，其他鋼筋應(yīng)力測量結(jié)果均呈現(xiàn)出一定的對稱性。中板側(cè)墻節(jié)點鋼筋應(yīng)力表現(xiàn)為受拉狀態(tài)，而其余測點基本為受壓狀態(tài)。鋼筋應(yīng)力最大值為72.4MPa，出現(xiàn)在現(xiàn)澆層施作時中板側(cè)墻節(jié)點的下排受力主筋位置，表明頂板施作會對中板產(chǎn)生一定的拉力作用，且該作用并不完全對稱。總體而言，鋼筋應(yīng)力數(shù)值較小，結(jié)構(gòu)處于較為安全的狀態(tài)。

5 結(jié)語

本文以上海地鐵15號線吳中路站無柱大跨度新型地鐵車站結(jié)構(gòu)為例，開展施工期結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力監(jiān)測，實時獲取該工程關(guān)鍵構(gòu)件的力學(xué)變形規(guī)律，經(jīng)過監(jiān)測分析得到以下結(jié)論與建議。

1)總體而言，結(jié)構(gòu)各主要部件應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值較小，除混凝土可能存在局部裂紋外，整體結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

2)中板混凝土澆筑后中板-側(cè)墻節(jié)點混凝土拉應(yīng)變較大，最大值近300με，超過混凝土單軸受力極限拉應(yīng)變，存在裂縫擴(kuò)展的可能，設(shè)計中可針對該節(jié)點進(jìn)行針對性設(shè)計，如采用高強纖維混凝土進(jìn)行加強。

3)拱形頂板對側(cè)墻有明顯的推力作用，推力傳導(dǎo)至中板使得中板-側(cè)墻節(jié)點產(chǎn)生拉力作用，導(dǎo)致鋼筋拉應(yīng)力及混凝土拉應(yīng)變有較明顯的提升，在局部不利區(qū)域可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂，應(yīng)注意對中板側(cè)墻節(jié)點的持續(xù)觀測。