淺析地鐵車站附屬結構設計的數值模擬分析

黃宇

摘要：在地鐵工程設計的整個過程中，地鐵車站結構設計應該放在至關重要的地位，每一個結構構件的尺寸擬定和鋼筋參數都應該經過嚴格的計算，才能以最經濟合理的造價建設出安全的地鐵服務設施。文章以實際工程為背景，重點闡述地鐵車站附屬結構在非常復雜的情形下應注意的設計細節。

關鍵詞：地鐵車站附屬結構;結構設計;整體計算;局部計算

1 工程概況

本站是某市軌道交通一號線的某個車站。車站選用雙島12m站臺三層三柱四跨矩形結構型式，其中，負一層為物業層，負二層為站廳層，負三層為站臺層。本站設置10個出入口（含物業）、5個消防口、4組風亭、一組冷卻塔，頂板覆土均約為2m。

2 計算原則及荷載

2.1 計算原則

1）地鐵工程設計使用年限為100年。主體結構安全等級為一級，結構重要性系數1.1。

2）主體結構按6度抗震設防烈度及6級人防抗力進行驗算。結構設計時按三級抗震采取相應的構造處理措施。

3）結構設計分別按施工階段和正常使用階段進行結構強度計算以及裂縫寬度驗算，并滿足剛度、穩定性及耐久性等要求。結構構件的裂縫控制等級為三級，即結構構件允許出現裂縫。按荷載效應標準組合并考慮長期作用影響的最大計算裂縫寬度允許值，對于迎水面為0.2mm，對于背水面為0.3mm，且不得有貫穿裂縫。

2.2 計算理論分析及荷載

1）計算理論

采用荷載結構模型有限桿單元法進行計算，車站結構按底板支撐在彈性地基上的平面框架進行內力分析。用布置于節點上的彈簧單元來模擬地基與底板的相互約束;假定彈簧不承受拉力，即不計地基與底板間的粘結力;彈簧受壓時的反力即為地基對底板的彈性抗力。

2）計算荷載

結構自重：指結構自身重量產生的沿各構件斷面軸線均勻分布的豎向荷載。

垂直地層壓力：垂直壓力即為其上覆填土的重量。

水平地層側壓力：為垂直壓力乘以側壓力系數。

彈性抗力：為地層對結構的約束力，其值為抗力系數與約束變位之乘積。

靜水壓力：在計算水土壓力時，根據地形、水文地質、地層的滲透性、施工方法等條件確定采用水土合算還是水土分算的原則。

地面超載：20kN/m2。

人群荷載：4kN/m2。

設備荷載：8kN/m2。

人防荷載：人防按核6級、常6級設防。作用在頂板、側墻、底板的人防等效靜荷載按照規范，根據工程實際進行計算。等效靜載值可參考應用以下值：主體結構作用在頂板上的等效靜載為 70 kN/m2，側墻為 50～55 kN/m2，底板為60 kN/m2。

3 附屬主體結構計算

結構計算采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法，以可靠指標度量結構構件的可靠度。采用以分項系數的設計表達進行結構計算分析。

結構構件應根據承載力極限狀態及正常使用極限狀態的要求，分別按下列規定進行計算和驗算。

承載力及穩定：所有結構構件均應進行承載力（包括壓曲失穩）計算;需考慮地震、施工等特殊荷載的作用，尚應進行結構構件抗震承載力計算。

結構計算簡化模型的確定，根據結構的實際工作條件，并反映結構與周圍地層的相互作用。

計算假定：

采用荷載結構模型有限桿單元法進行計算，車站結構按底板支撐在彈性地基上的平面框架進行內力分析。

用布置于節點上的彈簧單元來模擬地基與底板的相互約束;假定彈簧不承受拉力，即不計地基與底板間的粘結力;彈簧受壓時的反力即為地基對底板的彈性抗力

3.1 結構參數

1）結構選型

車站附屬明挖結構采用現澆整體式框架結構，車站附屬主體為單層多跨（局部為兩層單跨）框架結構型式。

2）主體結構主要尺寸擬定

經初步計算及類比其他地區地鐵及地下空間設計工程的經驗，擬定車站附屬結構主要尺寸，如下所示：頂板厚度0.9m;底板厚度0.9m;側墻厚度0.6（0.7）;柱斷面尺寸0.8×1.0m;頂縱梁斷面尺寸1.0×1.8m;底縱梁斷面尺寸1.0×1.8m。

3.2附屬主體結構荷載計算

頂板土壓：Ft=25kN/m;頂板水壓：Fs=25kN/m;

頂板超載：Fc=20kN/m。

負一層板、負二層板人群荷載：Fr=4kN/m;負一層板、負二層板設備荷載：Fsb=8kN/m。

主體結構底板水壓：Fs=215.3kN/m;

附屬結構底板水壓：Fs=91kN/m;。

主體結構側墻水壓：Fs1=25kN/m;Fs2=215.3kN/m;

附屬結構側墻水壓：Fs1=25kN/m;Fs2=91kN/m;

3.3東北側附屬頂板計算內力如圖

由于車站東北側、西北側附屬結構形式比較復雜，故將模型進行適當簡化后采用整體計算。計算模型詳見下圖：

圖1 附屬主體結構計算模型

3.4計算過程及結果

通過對附屬結構整體進行數值模擬分析計算，得出頂板、底板、側墻、頂梁、底梁及柱的結構內力，如下圖所示（西北側的內力圖未表示）。通過結構內力得出結構的配筋參數如下表所示。可知，采用上述結構尺寸及合理的配筋參數，滿足鋼筋混凝土結構設計規范要求。

圖2 東北側附屬頂板承載力極限狀態彎矩圖（kN·m）

圖3? 東北側附屬頂梁承載力極限狀態彎矩圖（kN·m）

東北側附屬結構最大配筋匯總表（西北側略）

結構部位

彎矩計算配筋

剪力計算配筋

裂縫寬度（mm）

備注

頂板

支座

E22@100+E25@200

Φ10@200x300

0.197

裂縫控制

跨中

E22@100

Φ10@200x300

0.255

裂縫控制

底板

支座

E22@100+E25@100

Φ10@200x300

0.197

裂縫控制

跨中

E22@100

Φ10@200x300

0.234

裂縫控制

側墻

支座

E20@100+E22@100

Φ10@200x300

0.188

裂縫控制

跨中

E20@100

Φ10@200x300

0.285

裂縫控制

頂梁

支座

11E28+19E32

-

0.164

裂縫控制

跨中

11E28+6E32

-

0.246

裂縫控制

底梁

支座

4E32+11E28

-

0.081

裂縫控制

跨中

11E28

-

0.055

裂縫控制

結構柱

36E25

-

0.181

裂縫控制

3.5附屬主體結構斷面計算

標準段橫剖面計算

標準段橫剖面計算內力如圖所示：

圖4? 標準段橫剖面承載力極限狀態彎矩圖（kN·m）

由于軸力及剪力對計算結果不起控制性作用，在橫剖面計算時就不再給出計算結果，僅在計算主筋時考慮軸力的影響，以及取頂板、底板及側墻剪力的最大值進行驗算結構抗剪是否滿足要求。

通過以上橫斷面計算與整體結構計算對比可知：橫斷面計算結果相對于整體計算來說，計算結果偏小，因此車站結構配筋以整體計算結果進行控制。

4 小結

綜上所述，在地鐵車站附屬結構形式較為復雜的情形下，結構內力整體分析與常規的斷面分析在分布規律上是相同的，但最大設計內力卻是以整體分析更為合理，因此當遇到類似不規則結構斷面形式時，應以結構整體計算結果作為控制條件。