摘要：于家堡枢纽北部明挖区地下结构形式为两层三跨钢筋混凝土框架结构。南北向长约197米，东西向宽约86米，南北向标准柱距9m，东西向跨度共6跨，站房最大东西向跨度为20.7m，底板埋深约24m。本文主要介绍站房北段的结构方案设计难点以及其解决办法，重点论述了结构顶板的设计方法。
关键词：大跨度地下工程；结构难点设计方案；拱形结构
Abstract: on the home north Ming dig area at the hub of the underground structure form for two layers across three steel reinforced concrete frame structure. North and south is about 197 meters long and east-west about 86 meters wide, north and south from 9 m standard column, east-west span of 6 cross, the biggest question 3: the east-west span of 20.7 m, floor buried depth about 24 m. This paper mainly introduces the structure of the north station scheme design difficulties and their solutions, and focuses on the structure of the roof design method.
Keywords: large span underground engineering; Structure design difficulties; Arch structure
中图分类号：TV554 文献标识码：A文章编号：
引言
于家堡枢纽站是由城际铁路及3条规划的轨道交通线路交汇而成（即B2、Z1、Z4线3条城市轨道的交通线路与京津城际铁路延伸线）集中设站。于家堡枢纽站作为一个综合性地下工程，除规划国铁以及地铁线路外，还为轨道交通配套建设出租车停车场、社会车停车场、公交中心及控制中心等市政设施。城际于家堡站为地下二层，车站规模为3台6线。于家堡枢纽地下结构形式为一至三层不等的多跨钢筋混凝土框架地下结构。
图1：地下二层平面图
以国铁站房为主的地下结构按照变形缝划分为结构单元A和结构单元B，本文主要介绍站房北部明挖区的结构单元A。
图2：单元划分图
于家堡交通枢纽工程，结构设计使用年限为100年，必须对结构的可靠性、耐久性以及施工难度方面进行研究。站房北部结构单元A由于建筑表现型式及功能要求，使其结构形式具有大体积超长度，跨度大，断面形式不规则等特点，在其设计中存在较多需要解决的难题。
2、站房北段结构单元A的结构体系
2.1 结构简介
结构单元A平面占地约1.26万平米，南北向长约197米，东西向宽约86米。包括Z4线车站北段结构和城际站房中段结构。于家堡枢纽城际车站地下部分考虑运营期间使用功能及建筑景观要求，车站站台范围内要求不设中间立柱，只能在城际站台两线间设置结构中立柱。结构为地下二层，纵向标准柱距9m。横向共6跨：城际车站范围三跨跨度20.7m、20.5m、20.7m，跨度较大，Z4线车站三跨跨度8.5m、7m、8.5m（随线路中线有变化）。地下一层的层高为7.1m，地下二层的层高为10.5m
图3：主体结构平面图
2.2结构体系的选择
在建筑布置条件如此复杂、困难的条件下，要完成结构设计的第一步是确定合理的结构型式。车站站台范围不设中间立柱，只能在城际站台两线间设置结构中立柱，此时结构横向跨度20.5m，属于大跨度结构，如采用梁板结构，则结构边墙及顶板受水土压力大，须增大结构受力杆件，使用空间受限制，且建造成本加大，结构处理难度大。
对此，结构体系选用拱结构来解决上述问题。对于大跨度结构来说，拱结构是最有效减少结构变形、降低构件弯距，加大使用空间的结构形式。因此设计方案针对此结构的重点部位顶板，采用拱形结构；而结构中板荷载较小，则采用密肋梁的结构形式，在横向柱位主梁之间再增设一道次横梁，从而减小板跨；车站基础采用筏板形式，底板采用钢筋混凝土板厚板；车站侧墙采用钢筋混凝土结构；中间立柱采用直径1400mm钢管混凝土双柱，纵向间距12m。此部分地下结构整体为两柱三跨拱形框架结构。
3、站房北段结构设计难点
3.1顶板的两种结构方案
在设计起始阶段，针对结构重点部位结构顶板，作了两种方案的比较选择。第一种方案是平板拱梁的结构方案，顶板为600mm厚板，柱位上设置横、纵向主梁，在横梁主梁间再设置一道横向次梁，主次横梁均为上平下拱的拱梁形式。第二种方案是结构设置柱位上纵梁，横向为三跨连续拱板。这两种方案各有优缺点，后文一一进行介绍。
两种方案的结构横断面如下：
图4：方案一结构横断面
图5：方案二结构横断面
3.2对两种结构方案的计算与分析
3.2.1于家堡整体计算模型简介
计算软件及计算方法：采用的软件为Midas/Gen通用结构计算软件，按构件实际尺寸整体建模，计算方法为三维有限元空间计算，个别位置或构件可能需要结合设计经验进行手算。
计算原则：采用荷载－结构模型进行空间有限元分析，墙底及桩顶限制水平位移，用竖向弹簧模拟桩的作用。构件采用模型计算得出的内力包络值，进行承载力和裂缝检算。
3.2.2方案一计算方法与分析
如方案一横断面所示，平板拱梁方案的顶板结构是由板壳和拱形杆件组成，建立三维模型时的难点是拱梁与平板在三维模型中中线无法对应，不好模拟。所以在方案试算中只能用SAP2000建立二维横向框架模型，考虑到顶板和中板的横梁受荷面积均为4.5米，可将结构取出一4.5米宽的横向条带作为一个框架平面计算单元。及平面框架的顶、中梁可取实际的梁截面尺寸，墙、底板的宽度为了与顶梁刚度匹配，取与顶板梁受荷面积相同的4.5米宽度，厚度取实际的厚度。底板抗拔桩设置成拉压弹簧。
图6：SAP2000建立的框架模型
图7：弯矩图图8：轴力图
试算结果显示，顶板变截面梁上皮最大弯矩位置为中间支座处，此处梁截面尺寸为1800mmx3260mm，弯矩为24830KN*m，轴力为5397KN（压力），需要钢筋18/18/10C32，裂缝为0.128mm。梁下皮跨中截面尺寸为1800mmx1000mm，弯矩为3222 KN*m，轴力为5314（压力），需要钢筋10/18C32，裂缝为0.13mm。通过SAP2000的二维模型计算结果看出，拱效应使拱形顶梁产生较大的轴力，构件检算能够通过。但是此部分结构属于大体积混凝土结构，结构受力复杂，工况组合繁多，二维模型是对整体模型进行的简化模拟，其结果和结构整体受力存在一定的差异。另外，拱形横梁对它端部的纵梁将会产生多大的拉效应也无法准备计算出，因此二维模型计算准确度不高。再者，变截面梁在边墙和柱根部截面较大，结构自重大，配筋量较多。但是，其顶板跨度较小，板厚度可以减少。
3.2.3方案二计算与分析
方案二为结构仅设置柱位上纵梁，横向为三跨连续拱板。下图中显示的紫色构件为顶梁。
图9：Midas/Gen建立的三跨连续拱形顶板模型
图10：弯矩云图图11：轴力云图
Midas/Gen建立的整体三维模型显示，拱板上皮支座最大弯矩值2600KN*m，轴力2500KN（压力），需要钢筋两排C32@75。拱板下皮跨中最大弯矩940KN*m，轴力1500KN（压力），需要钢筋C32@150+C32@300。通过三维模型的计算结果看出三跨连续拱板的拱效应较为明显，拱结构可有效减少结构变形、降低构件弯距。由于拱效应的影响纵梁拉力很大，最大拉力达到5447KN，经过构件检算纵梁均可承受裂缝和承载力的要求。为了解决拱脚处水平传力的问题，经跟其他专业配合后，将市政区域顶板降低，使其三小跨顶板与站房拱板对接。
站房三大跨为拱板，拱板与纵梁间的三角形空间采用二次浇注混凝土的方法填平，并在二次浇注的素混凝土上施作防水层，以解决防排水问题。拱板上方的二次素混凝土标号等均与拱板相同，且应在拱板达到设计强度的100%后方能进行二次混凝土的浇注。
3.2.4两种方案的比较
方案形式 优点 缺点
方案一 顶板开孔可以开在横梁之间，拱梁传力不受影响。
结构顶板上表面水平，易于铺设顶板防水层。
板跨减小，板厚可以适当减薄。 1、拱梁与平板在三维模型中中线无法对应，不好模拟，二维计算考虑整体受力，其结果有一定失真。
2、外平内拱的拱效应比完全拱要弱。拱效应不明显。
3、变截面拱梁在墙、柱处的截面尺寸很大，梁配筋较多，自重很大。
方案二 拱效应明显，拱效应对构件受力帮助很大。
结构传力简单，可以用Midas/Gen建立的整体三维模型。 在顶板开孔较大的部位，拱效应被消弱。
结构顶板上表面是拱形，不水平，施作出地面墙需要注意高度；施作顶板防水需要提前对结构面进行找平处理。
通过对以上两种顶板结构方案的比较，最终选择了方案二。
4结论
对于于家堡枢纽工程这样一个大跨度超长结构，其建筑方案的特点决定其结构形式的复杂性。在进行结构设计时，应对结构体系进行全面考虑，从大的结构形式、计算方案到小的计算参数、结构材料的选择都应左右权衡慎重选择，做到结构设计的安全、经济、合理。本文重点介绍了采用SAP2000和有限元分析方法对顶板的两种结构体系进行方案比选，并得出以下结论：
在结构体系选择上应首先选择结构形式较为简单、传力明确的结构形式，有利于用计算
软件较为真实合理的进行模拟。
对平板拱梁（拱梁为内拱外平）的断面形式进行分析表明，该断面的拱效应不如按其下边
缘形状起拱的真正拱。
拱板结构体系会在纵梁中产生很大拉力（最大拉力达到5447KN），在纵梁计算中要进行考
虑。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。