明挖地铁车站无柱大跨度可修复预应力索?拱联合结构的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
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
[0001] 本发明设及地下工程的管廊建设领域，特别是设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】
[0002] 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。
[0003] 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，跨中晓度如果 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±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W压抑的感觉。
【发明内容】
[0004] 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。
[0005] 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：
[0006] 边墙，设置在地铁通道的两侧；
[0007] 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；
[000引顶板，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；
[0009] 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，W对所述拱脚 施加一个水平拉力。
[0010] 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错锭上，所述错锭为 锥形体，在错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错锭的锥 尖一端相对。
[0011] 进一步地，在所述错锭的错底一面设置有提高所述预应力索受力强度的承压板。
[0012] 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。
[0013] 进一步地，所述拱梁与所述边墙为一体式现诱构成或分开诱筑构成。
[0014] 进一步地，所述预应力索设置有1~2道。
[0015] 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。
[0016] 进一步地，所述预应力索的拉力采用下式计算：
[0017]
[0018] 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，El、Ii为索的弹模和截面惯性矩。
[0019] 进一步地，所述拱梁的弯矩采用下式计算：
[0020]
[0021]
[0022] o《〇.8ft
[0023] 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，ft为混凝± 抗拉强度设计值，0.8为折减系数，0为拱梁上边缘混凝±拉应力。
[0024] 本发明中，拱梁可W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±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。
[0025] 采用拱梁结构后，可W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±拉裂和上缘压碎的现象。
【附图说明】
[0026] 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；
[0027] 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；
[0028] 图3是本发明一个实施例中错锭的安装结构示意图；
[0029] 图4是图1所示拱梁间隔排列的结构示意图；
[0030] 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；
[0031 ]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；
[0032] 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；
[0033] 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】
[0034] 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±石塌陷的边墙30,设置在地 下通道的最顶端W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W对拱脚施加一个水平拉力的预应力索 40。
[0035] 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±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±拉裂或上缘压碎的现象。
[0036] 本实施例采用预应力索+拱梁的联合结构，充分利用混凝±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±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±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W大于20米。
[0037] 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W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。
[0038] 本实施例中的预应力索40可W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W用于安装轻型设备，如管路线路等，W充分利用拱 结构上部的空间。
[0039] 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 埋锥形的错锭50,该错锭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上的两个错锭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W与相应拱梁20的中屯、轴线位置对应。 此外，为提高预应力索40的固定强度，可W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W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W是一体式现诱构成。也可W采用如图2所示的分开诱筑结构。具体预 应力索40的数量可W根据拱梁20的长度设置1~2道。
[0040] 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W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。
[0041] 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W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W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W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。
[0042] 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W只设置一个。
[0043] 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 W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。
[0044] 该预应力索40的拉力可W采用下式计算：
[0045]
[0046] 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，El、Ii为索的弹模和截面惯性矩。
[0047] 通过上述参数即可W确认当前地下坑道所使用的预应力索基本满足的条件。
[004引进一步地，在采用前述预应力索40的条件下，该拱梁20的弯矩可W采用下式计算：
[0049]
[(K)加 ]
[0051] o《〇.8ft
[0052] 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，ft为混凝± 抗拉强度设计值，0.8为折减系数，0为拱梁上边缘混凝±拉应力。
[0053] 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。
[0054] 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 定为覆盖了所有运些其他变型或修改。
【主权项】
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：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，Ei、I i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：0彡0.8ft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，ft为混凝土抗拉 强度设计值，〇. 8为折减系数，〇为拱梁上边缘混凝土拉应力。
【文档编号】E04B7/14GK106049661SQ201610369629
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】康富中, 孟达, 宫剑飞
【申请人】建研地基基础工程有限责任公司