地鐵車站各設計狀況的結構分析

羅 旭

(廣州地鐵設計研究院有限公司 廣州 510010)

地鐵車站各設計狀況的結構分析

羅 旭

(廣州地鐵設計研究院有限公司 廣州 510010)

討論地鐵車站結構分析時應考慮的幾種設計狀況。結合工程實例，針對位于高水位地區的地鐵車站，提出持久設計狀況的兩種受力模式;采用軌道交通領域的人防設計規范進行偶然設計狀況的分析，同時運用反應位移法進行地震設計狀況的分析。通過比較，找出它們對地下結構使用和安全的不同影響，從而對地鐵車站結構設計提供借鑒。

地鐵車站;設計狀況;地下結構;作用組合;反應位移法

1 研究背景

隨著我國城市化進程的加快，交通擁堵問題日益突出，修建大運力的地鐵系統已成為許多大城市的首選。在我國進入軌道交通建設繁忙時期的背景下，許多設計理念和設計標準卻并沒有得到一定程度上應有的統一。比如，關于水浮力對地鐵車站結構設計的影響，很多文獻［1-3］并不一致，這無疑會給設計效率以及工程的可靠性、經濟性帶來不利影響。筆者從最為常見的明挖地鐵車站結構設計出發，以基礎性的國家規范《工程結構可靠性設計統一標準》［4］(以下簡稱“可靠性統一標準”)為指南，討論地鐵車站結構分析時應考慮的幾種設計狀況，并應用新的設計規范和設計方法詳細分析各設計狀況的結構反應，從中找出結構的控制性設計狀況。

2 設計狀況簡介

2.1 設計狀況

地鐵車站結構設計時應考慮哪些情況，許多規范和文獻并不統一。《地鐵設計規范》規定“地下結構應就其施工和正常使用階段，進行結構強度的計算”［5］，這一說法過于寬泛。首先，地震和戰爭時的狀況是否屬于正常使用階段有待論證;其次，由于地下結構的復雜性，其正常使用階段應包含有多種情況。《上海市地方建設規范》［3］給出了3種工況:重力工況、水反力工況和立柱最大軸力工況，但這一說法同樣不準確，因為它沒有指出這些工況屬于結構生命周期的哪一階段，也沒有明確是否還存在其他工況。

而從《可靠性統一標準》出發，則可以從理論上系統認識地鐵車站的結構設計究竟有哪些情況需要進行計算分析。《可靠性統一標準》推薦采用極限狀態設計方法，同時規定工程結構設計時應區分4種設計狀況:持久設計狀況、短暫設計狀況、偶然設計狀況、地震設計狀況。對于地鐵車站結構來說，持久狀況是指結構使用時的正常情況，短暫狀況是指結構施工時的情況，偶然狀況是指人防情況，地震狀況是指結構遭受地震時的情況。此標準又規定，對4種設計狀況，均應進行承載能力極限狀態設計。

2.2 作用組合

進行承載能力極限狀態設計時，應根據不同的設計狀況采用下列作用組合:基本組合，用于持久或短暫設計狀況;偶然組合，用于偶然設計狀況;地震組合，用于地震設計狀況。

基本組合用于持久設計狀況，對于其他簡單的工程結構來說情況并不復雜，但對于地鐵車站需要進行認真研究。對廣州深圳等地下水位較高的車站來說分為兩種受力模式:①重力占主導，此種模式對應軌道交通運營時段，車站頂板地面超載較大，中板、站臺板人群活荷載也較大，此時車站整體呈下沉趨勢，底板下土體受壓，壓頂梁不起作用;②水浮力占主導，此種模式對應軌道交通非運營時段，由于地面車流量小，頂板超載略去不計，而各層板的人群活荷載也不考慮，此時車站整體呈上浮趨勢，底板下土體不再受壓，而壓頂梁開始起作用。對于重力占主導的受力模式，《地鐵設計規范》的條文規定，由于超靜定結構某些構件中的某些截面是按側壓力或底板水反力最小的情況控制設計的，所以應分別考慮最高和最低水位兩種情況。

從以上分析可知，對地鐵車站進行承載能力極限狀態分析時，一共有3種作用組合，其分項系數如表1所示。

表1 作用組合分項系數

以下將根據地鐵車站在其全生命周期內的各種設計狀況，以深圳地鐵2號線東延段工程的華強北站為例，使用相應的作用組合進行結構受力分析。

3 各設計狀況分析

深圳地鐵2號線東延段工程的華強北站位于深圳市振華路與華強北路交叉口，采用明挖順作法施工，車站為地下2層雙跨箱型結構，埋深約16.8 m，頂板覆土約3.5 m，標準段寬度為19.0 m，長度為207.0 m。結構安全等級為一級，設計使用年限為100年。車站結構頂板、側墻、底板按6級人防荷載考慮。地震設防烈度按7度設計，地震特征周期0.35 s，建筑場地類別為Ⅱ類。高水位取地面，低水位取地面以下6.5 m。車站范圍內巖土分布主要為:素填土、淤泥質黏土、粉質黏土、礫質黏性土、全(強)風化花崗巖等。以下各設計狀況的結構分析均針對車站標準段橫截面，采用有限元程序進行模擬。限于篇幅，本文只給出各設計狀況的彎矩結果，重要截面的剪力和軸力情況輔以文字說明。

3.1 持久設計狀況

3.1.1 重力占主導

重力占主導時需考慮地面超載和各層板的活載，并用土彈簧模擬底板下土體的豎向抗力，同時需考慮最高水位和最低水位兩種工況，永久作用分項系數取1.35，可變作用分項系數取 1.4，其計算彎矩見圖1～圖2。

圖1 重力主導時的高水位彎矩圖

圖2 重力主導時的低水位彎矩圖

從計算結果可以發現，重力占主導的情況下，結構大部分位置的彎矩基本受高水位控制，只有在側墻(與中板連接的節點處)局部區域，低水位會產生比高水位更大的負彎矩，側墻配筋時應予以注意。

3.1.2 水浮力占主導

水浮力占主導時不考慮頂板超載和各層板的人群活荷載，取消底板土彈簧，同時考慮壓頂梁的作用。水浮力占主導時與重力作用方向相同的永久作用對結構受力有利［7］，故水浮力分項系數取1.35，其他永久作用分項系數取1.0，可變作用分項系數取1.4，其計算彎矩圖見圖3。

從計算結果可以發現，水浮力占主導的情況下，由于結構受力模式的改變，其彎矩分布及大小和重力占主導時有很大區別。其中，頂板中間支座、底板跨中、底板邊支座的彎矩比重力占主導時大，這說明水浮力占主導時對結構的許多截面有控制作用，是一個必須引起重視的計算工況。

圖3 水浮力主導時的彎矩圖

3.2 短暫設計狀況

短暫設計狀況是指結構施工時的情況，《地鐵設計規范》提倡在施工階段按施工過程進行分析，在使用階段要考慮施工階段結構體系中已產生的內力和變形。某文獻按考慮施工過程影響和不考慮施工過程影響兩種方法對某地下車站進行分析，得出的內力包絡圖有較大不同，但是在實際設計工作中，由于全過程增量法計算工作量大且沒有計算機專用程序，故普遍采用不考慮施工過程影響的分析方法。對施工階段的分析，也只是采用商業軟件計算開挖階段圍護結構的內力和變形。對此該文獻指出，如果在施工圖階段采用這種方法，需對截面配筋做出適當調整［3］。

3.3 偶然設計狀況

偶然設計狀況對于地鐵車站來說，就是指人防狀況，《軌道交通工程人民防空設計規范》［8］于2009年7月施行，使軌道交通領域的人防設計有了自己的準則，以下將主要根據此規范進行偶然設計狀況的分析。限于篇幅，僅以核武器一次作用為例。

核爆炸動荷載可等效為靜荷載，從而簡化設計模型，其標準值可計算為

式中，q1、q2、q3分別為結構頂板、外墻、底板的均布等效靜荷載;Kd1、Kd2、Kd3分別為結構頂板、外墻、底板的動力系數;Ph，Ph'分別為頂板和外墻中點處的壓縮波峰值壓力;K為頂板綜合反射系數;ξ為土的側壓系數;η為底壓系數。

以華強北站頂板為例，計算各參數值。由于覆土厚度3.5 m大于結構不利覆土厚度，且小于兩倍不利覆土厚度，頂板動力系數Kd=1.45，頂板綜合反射系

1數K=1.32，土體中壓縮波波形可簡化為有升壓時間的三角形，波峰值壓力可計算為

式中，ΔPm=0.01 MPa為地面空氣沖擊波超壓峰值;t2=1.04 s為降壓時間;c1為土的峰值壓力波速;δ為土的應變恢復比。

通過加權平均各土層的參數值，經計算得出Ph=9.8 kPa，從而有

人防狀況時永久荷載分項系數取1.2，人防等效靜荷載分項系數取1.0，結構重要性系數取1.0，其計算彎矩如圖4所示。

圖4 人防組合彎矩圖

從計算結果可以發現，人防狀況各截面的計算彎矩均比持久設計狀況要小，這說明人防設計狀況對地下車站的橫截面受力不起控制作用，但需注意人防動荷載的特殊性以及規范對某些構件驗算時的特殊要求，并在構造上采取一些必要的防護措施。

3.4 地震設計狀況

根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》(征求意見稿)的相關規定，可以采用反應位移法［9］進行地鐵車站結構抗震分析，將周圍土體作為支撐結構的地基彈簧，結構采用梁單元建模，如圖5所示。

圖5 地下車站抗震分析模型示意

反應位移法是對傳統地震系數法的發展，考慮了土層相對位移、結構慣性力和結構周圍剪力的作用。

3.4.1 土層相對位移作用

土層相對位移的作用可分別轉換為直接施加在結構側壁和頂板上的等效荷載，有

式中，p(z)、p(zv)分別表示直接施加在結構側壁和頂板的等效荷載;kh為結構側壁壓縮地基彈簧剛度;ksv為頂板剪切地基彈簧剛度系數;u(z)、u(zB)、u(zU)分別表示距地表面深度z處、底板zB處和頂板zU處的土層位移;而u(z)可根據一維土層的運動微分方程［10］，通過近似處理得到

式中，Sv為設計基準面速度反應譜;Ts為考慮土層地震應變水平的場地特征周期;H為地表至設計基準面的距離。

3.4.2 結構慣性力

結構慣性力指地下結構因自身質量在地震時產生的慣性力，等于結構重量乘以設計水平地震影響系數α。而設計水平地震影響系數可通過最大水平地震影響系數經地基、埋深等修正后得到。

3.4.3 結構周圍剪力作用

對式(7)求導并乘以土層的動剪切模量，就得到了結構周圍剪力，即

式中，τ為距地表面深度為z處的周邊剪力;Gd為土層的動剪切模量，可根據土體密度和土層剪切波波速求得。

3.4.4 計算結果

下面根據華強北站所處場地的工程地質條件計算有關參數。側壁壓縮地基彈簧剛度kh=3×107N/m3，頂板剪切地基彈簧剛度系數ksv=1×107N/m3，設計基準面速度反應譜Sv=0.18 m/s，場地特征周期Ts=0.437 5 s，設計基準面H=22 m，設計水平地震影響系數α=0.068，動剪切模量Gd=37.3 MPa。

在地鐵車站抗震設計荷載組合方面，采用現行建筑抗震設計規范。但對一些地下結構特有荷載，如地面車輛超載等可變作用，分項系數取1.0，結構重要性系數取1.0，通過有限元計算，其彎矩見圖6。

圖6 地震組合彎矩圖

從以上計算結果可以發現，地震狀況的計算彎矩具有明顯不同于上述其他設計狀況的特點，在側墻和頂板的節點處，在負一層側墻的跨中以及側墻與中板的節點處均出現了比上述其他設計狀況更大的彎矩。通過軸力分析還可以發現，地震作用時頂板、中板的軸力大幅度增加，此時應進行偏心受壓構件的驗算。

4 結語

筆者從基礎性規范和標準出發，討論了地鐵車站結構設計時需要考慮的幾種設計狀況，詳細分析了各作用組合的分項系數取值，力求做到有據可依。本文結合深圳地鐵2號線華強北站這一工程實例，對各設計工況進行了計算，結果表明:①在持久設計狀況下，重力占主導或水浮力占主導這兩種受力模式會對結構內力產生顯著影響，而水位的變化也會對某些截面產生影響，結構配筋時應采用上述幾種工況的包絡圖進行;②人防設計狀況對地下車站橫截面受力不起控制作用，但需注意人防動荷載的特殊性并滿足一定的構造要求;③地震設計狀況會對結構的很多節點受力產生影響，同時會增加某些構件的軸力，因此需驗算結構配筋是否滿足，并采取相應的抗震構造措施。

［1］喬海超，李曉昭，趙曉豹.淺埋地鐵車站結構內力影響因素分析［J］.城市軌道交通研究，2008(4):18:

［2］陳冬，王琪.地鐵車站結構設計合理性分析［J］.工程建設與設計，2007(5):52:

［3］王元湘.明挖結構使用階段的受力分析［J］.都市快軌交通，2006，19(3):49:

［4］GB 50153—2008工程結構可靠性設計統一標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［5］GB 50157—2003地鐵設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［6］DGJ 08—109—2004 城市軌道交通設計規范［S］.上海:2004.

［7］GB 50009—2001建筑結構荷載規范［S］.2006版.北京:中國建筑工業出版社，2006:6-9.

［8］RFJ 02—2009軌道交通工程人民防空設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2009.

［9］黃先鋒.地下結構的抗震計算——位移響應法［J］.鐵道建筑，1999(6):3-6.

［10］晏啟祥，馬婷婷，吳林，等.反應位移法在盾構隧道橫向抗震分析中的應用［J］.鐵道建筑，2010(9):48-51.

Structural Analysis for Various Design Situations of Subway Stations

Luo Xu
(Guangzhou Metro Design ＆ Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510010)

Abstract:The paper discusses several design situations to be considered for structural analysis of subway stations.Considering an engineering example with high groundwater level，two computation models were put forward for the last design.Accidental design situation was performed in line with the code of civil air defence of rail transit.At the same time，seismic design situation was carried out by adopting a response displacement method.By comparing the results obtained，different influences on the use and safety of underground structures for various situations were clarified which will have certain significance for structural design of subway stations.

Key words:subway station;design situation;action combination;response displacement method

TU248.2

A

1672-6073(2012)02-0069-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.018

收稿日期:2011-03-09

2011-03-22

作者簡介:羅旭，男，助理工程師，從事城市軌道交通結構設計工作，luolicn2003@yahoo.com.cn

(編輯:郝京紅)