明挖型无柱大跨拱形地铁车站结构的制作方法

本实用新型涉及地铁与地下工程、地下管廊建设领域，尤其涉及一种明挖型无柱大跨拱形地铁车站结构。

背景技术：

地铁车站的结构按照施工方法包括明挖法施工车站结构、盖挖法施工车站结构、暗挖法施工车站结构和盾构法施工车站结构。

就明挖法施工车站结构通用的框架结构来说，顶梁采用正常平梁、板的结构形式，明挖法施工车站结构若要形成无柱的大跨度，则对于22m跨的明挖法施工车站结构来说，顶梁内部施加预应力筋，其高度将超过1.8m；尺寸太大，相当于占掉1/4的空间，又因为顶梁的自重较大，跨中挠度如果较大则会产生裂缝，而且预应力筋随时间的增加损失逐渐加大，无法保证结构的持续安全度，因此，现有明挖法施工车站结构不仅没有最大限度发挥混凝土的抗压性能和钢筋钢索的抗拉性能，而且施工工期长、工序复杂，此外，明挖法施工车站结构在视觉上也给人以压抑的感觉。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种明挖型无柱大跨拱形地铁车站结构，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本实用新型所述明挖型无柱大跨拱形地铁车站结构，所述结构包括：底板、边墙、中板、中梁、拱板、拱梁和预应力索；相互平行的两个边墙相对设置在所述底板上，相对设置的两个边墙之间形成通道为地铁车站通道；沿通道方向，均匀排列的多个拱梁，每个拱梁横跨在两个所述边墙的顶端，相邻两个拱梁之间设置拱板，每块拱板横跨在两个所述边墙的顶端，且位于同一拱梁两侧的拱板互相连接；同一个拱梁的两个拱脚之间设置预应力索；每块拱板与每个边墙之间通过加强端头连接；两个所述边墙的中部设置垂直锚入两个边墙且沿通道方向均匀排列的中梁，相邻两个中梁之间设置与两个所述边墙连接的中板，且所述中梁设置在所述中板中。

优选地，所述底板和所述边墙内均设置暗梁，所述底板的内侧面与任意一个边墙的内侧面之间设置加腋梁。

优选地，所述中板与边墙连接端的两侧均设置加腋梁。

优选地，所述加强端头的固定端固定连接在与所述加强端头连接的边墙顶端，所述加强端头的朝上的轮廓线与所述拱板顶面重合，所述加强端头的朝下的轮廓线靠近边墙的部分与所述拱梁重合，然后沿45°角向上延伸与拱板闭合连接，与所述拱梁重合且靠近边墙的朝下轮廓线长度＝1.5×边墙宽度。

优选地，所述拱梁与两个边墙为一体式浇筑结构。

优选地，同一个拱梁的两个拱脚之间设置预应力索，具体为：预应力索分别贯穿所述拱梁的两个拱脚后固定在临近的边墙上，每面边墙设置预应力索的区域设置锚锭，所述预应力索的两端分别固定在两个边墙顶端内的锚锭上，所述锚锭的主体结构为锥形体，所述锥形体上设置固定所述预应力索的紧固结构；所述拱脚上设置一个与所述预应力索匹配的贯穿孔，所述贯穿孔的周围还设置多个备用贯穿孔，两两备用贯穿孔相对于所述贯穿孔对称设置。

优选地，每个拱梁的两个拱脚上设置1-2道所述预应力索。

优选地，相邻两个拱梁之间的垂直距离最优为3m。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所述结构中拱板梁两端的加强端头，有利于提高端部薄弱区承载力和整体刚度，有利于密肋结构的整体防连续倒塌设计，实现大跨度无柱结构的安全度目标，加强端头沿车站纵向通长设置，下缘宽为1.5倍的边墙宽度，然后沿45度角向上延伸闭合于拱板。

本实用新型所述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预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，拱梁与预应力索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)中成为大跨度结构的目标。

本实用新型采用拱梁结构降低梁高、减轻自重；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是本实用新型一个实施例的平面示意图；

图2是本实用新型一个实施例图1中A-A的剖面示意图；

图3是本实用新型一个实施例图1中B-B的剖面示意图；

图4本实用新型一个实施例的施工步骤示意图；

其中，1--边墙；2--拱梁；3—预应力索；4--中梁；5--底板；6--拱板；7--中板；8--加腋梁；9--加强端头；10--支护桩；11--肥槽。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

参照图1、图2和图3，本实施例所述明挖型无柱大跨拱形地铁车站结构，所述结构包括：底板5、边墙1、中板7、中梁4、拱板6、拱梁2和预应力索3；

相互平行的两个边墙1相对设置在所述底板5上，相对设置的两个边墙1之间形成通道为地铁车站通道；沿通道方向，均匀排列的多个拱梁2，每个拱梁横跨在两个所述边墙1的顶端，相邻两个拱梁2之间设置拱板6，每块拱板横跨在两个所述边墙的1顶端，且位于同一拱梁2两侧的拱板6互相连接；同一个拱梁2的两个拱脚之间设置预应力索3；每块拱板6与每个边墙1之间通过加强端头9连接；

两个所述边墙1的中部设置垂直锚入两个所述边墙1且沿通道方向均匀排列的中梁4，相邻两个中梁4之间设置与两个所述边墙连接的中板7，且所述中梁4设置在所述中板7中。

更详细的解释说明为：

(一)所述底板和所述边墙内均设置暗梁。所述底板的厚度为1000～1200mm；所述边墙的厚度为1200mm。

(二)所述拱梁为弧形结构，通过两侧的边墙支撑在地铁车站结构的顶端，高度一般1000～1200mm。所述拱梁2与两个边墙1为一体式浇筑结构。

所述拱板，为弧形结构，用于封闭地铁车站结构的上部，厚度一般300～500mm。

所述预应力索，设置在所述顶梁的下方，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，在应力松弛到一定条件下可以进行更换，所述预应力索为直线型。

(三)所述中梁4，设置在地铁车站结构的中部，其内设置有型钢混凝土，或者在梁的下缘设置预应力索形成有微小上挠度的小偏心结构，高度一般650mm。

所述中板7，为矩形结构，中板与边墙连接端设有加腋梁8，所述中板7厚度一般300mm；

(四)所述加强端头9的固定端固定连接在与所述加强端头9连接的边墙顶端；所述加强端头9的朝上的轮廓线与所述拱板6顶面重合，所述加强端头9的朝下的轮廓线靠近边墙的部分与所述拱梁2重合，然后沿与水平线夹角45°向上延伸与拱板6闭合连接，与所述拱梁2重合且靠近边墙1的朝下轮廓线长度＝1.5×边墙1宽度。

(五)同一个拱梁的两个拱脚之间设置预应力索3，具体为：

预应力索3分别贯穿所述拱梁2的两个拱脚后固定在临近的边墙1上，每面边墙1设置预应力索3的区域设置锚锭，所述预应力索3的两端分别固定在两面边墙1顶端内的锚锭上，所述锚锭的主体结构为锥形体，所述锥形体上设置固定所述预应力索3的紧固结构；

所述拱脚上设置一个与所述预应力索3匹配的贯穿孔，所述贯穿孔的周围还设置多个备用贯穿孔，两两备用贯穿孔相对于所述贯穿孔对称设置。

每个拱梁2的两个拱脚上设置1-2道所述预应力索3。

(六)本实施例中拱梁2与应力索3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。

本实施例中，为均匀分担拱板6所受的压力，该拱梁2可以设置多个，且各拱梁2间隔地分布在地铁车站的顶部，相邻拱梁2之间的距离最优为3米。

如图2所示，进一步地，为在预应力索3出现问题时能够及时更换，在本实用新型的一个实施例中，可以在对原预应力索3进行更换。当预应力索3在使用一定年限而出现损伤时，可以利用预埋在边墙1内部的锚锭安装备用应力索，将对原的预加拉力转移到备用应力索上，然后更换完毕后，再取下备用应力索。本实施例的可修复性的设计结构，能够在预应力索3有损伤或者预应力损失过大而不满足要求时，立即启用备用应力索。由于地下结构是百年工程，需要充分考虑在预应力损失较大时，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，使车站结构能够继续进行工作，而且修复是在车站结构正常工作的情况下进行的，完全不耽误地铁的正常运行。

实施例

参照图4，本实施例所述用于如实施例1所述明挖型无柱大跨拱形地铁车站结构的设计施工方法，所述方法包括：

S1，在基坑某一开挖工况下，设计并施工得到两排相对设置的护坡桩10，得到车站通道；

先施工护坡桩10，然后开挖两排护坡桩10范围内的土体，开挖土体过程中用若干道锚索或者水平内支撑对两排护坡桩10进行支护，边开挖土体边支护护坡桩10，直到开挖到设计底标高为止。所述护坡桩10一般情况下采用钢筋混凝土材料。

S2，在所述车站通道的底部，按预先的设计要求，施工得到带密肋暗梁的底板；然后，在所述底板上，施工得到带密肋暗梁的两个边墙，直至施工到边墙的中部；

边墙1的内侧与底板5的内侧连接部位设置有加腋梁，按构预先设计的造配筋进行设计和施工。所述底板5和边墙1采用现浇钢筋混凝土材料。

S3，将中板7、中梁4与边墙1同时施工，待中板、中梁施工完毕后，进行混凝土支模、浇筑和养护，将混凝土养护至预先设计的强度后，继续进行对边墙的施工，直至施工到边墙的顶部；

中板7、中梁4与边墙1同时施工，便于一体浇筑形成较大整体刚度。由于跨度较大，中梁4采用型钢混凝土梁，型钢锚固进入边墙1，锚入的深度最优为800～1000mm，型钢混凝土梁采用现有的规范或图集焊接制作和施工绑扎。待到中板7、中梁4与边墙1以及相应的加强腋8钢筋骨架都施工完毕，再进行支模、浇筑和养护。所述中板7与边墙1以及相应的加强腋8采用现浇钢筋混凝土材料。

S3，按照预先设计的拱梁的弯矩，将拱梁、拱板、加强端头与边墙的顶端同时施工，在施工边墙与拱梁的交界面时，在边墙内部预埋入用于固定预应力索的锚锭；

加强端头8实为拱板6与拱梁2两端下部与边墙1链接处的一定范围内的空隙填充。施工中拱梁2、拱板6、加强端头8与边墙1一起施工，便于一体浇筑形成整体刚度，尤其提高拱板与边墙连接的两个端头的刚度。在施工边墙1与拱梁2的交界面时，需在边墙1内部预埋入用于固定预应力索3的锚锭。所述拱梁2、拱板6与加强端头8采用现浇钢筋混凝土材料。

S4，将预应力索贯穿同一个拱梁的两个拱脚后分别固定在两个边墙上锚锭上，然后按照对预应力索进行相向张拉至预先设计的张力要求；在施工过程注重有关监测数据，实行动态施工，直至施工完毕。

更详细的解释说明为：

(一)在施工过程中会有肥槽11，对于肥槽11，边施工边墙1边进行回填土，以及结构封顶后进行上部土的回填，回填土需注重施工质量，达到设计所需的密实度和压实度等参数要求。

(二)每根预应力索3由若干束钢绞线材料组成。钢绞线的束数由设计计算确定，张拉力同样由设计计算确定。依次将所有应力索进行张拉。

在本实用新型的一个实施例中，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，得到应力索3的内力、拱梁内力与拱梁高度的关系。

其中，所述预应力索的拉力采用公式(1)计算：

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

所述拱梁的弯矩采用公式(2)计算：

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几何参数，即可得到拱梁2的失高及力学参数情况。

本实施例中能够降低梁高，减轻自重，预应力索3进一步使拱梁2矢高变大，发挥混凝土的受压性能，承担更大的压力，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。

本实施例中采用应力索+拱梁的联合结构，充分利用混凝土受压与应力索3受拉的材料特点，由顶梁2通过拱板6承受外力及混凝土自重，顶梁2通过拱板来调节承受的内力，使顶梁2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3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，可以设计出拱梁2合理的拱高及与应力索3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。

通过采用本实用新型公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本实用新型所述结构中拱板梁两端的加强端头，有利于提高端部薄弱区承载力和整体刚度，有利于密肋结构的整体防连续倒塌设计，实现大跨度无柱结构的安全度目标，加强端头沿车站纵向通长设置，下缘宽为1.5倍的边墙宽度，然后沿45度角向上延伸闭合于拱板。

本实用新型所述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预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，拱梁与预应力索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)中成为大跨度结构的目标。

本实用新型采用拱梁结构降低梁高、减轻自重；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。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。