地鐵車站各設(shè)計(jì)狀況的結(jié)構(gòu)分析

羅 旭

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010)

地鐵車站各設(shè)計(jì)狀況的結(jié)構(gòu)分析

羅 旭

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010)

討論地鐵車站結(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)考慮的幾種設(shè)計(jì)狀況。結(jié)合工程實(shí)例，針對(duì)位于高水位地區(qū)的地鐵車站，提出持久設(shè)計(jì)狀況的兩種受力模式;采用軌道交通領(lǐng)域的人防設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行偶然設(shè)計(jì)狀況的分析，同時(shí)運(yùn)用反應(yīng)位移法進(jìn)行地震設(shè)計(jì)狀況的分析。通過比較，找出它們對(duì)地下結(jié)構(gòu)使用和安全的不同影響，從而對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

地鐵車站;設(shè)計(jì)狀況;地下結(jié)構(gòu);作用組合;反應(yīng)位移法

1 研究背景

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，交通擁堵問題日益突出，修建大運(yùn)力的地鐵系統(tǒng)已成為許多大城市的首選。在我國(guó)進(jìn)入軌道交通建設(shè)繁忙時(shí)期的背景下，許多設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)卻并沒有得到一定程度上應(yīng)有的統(tǒng)一。比如，關(guān)于水浮力對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，很多文獻(xiàn)［1-3］并不一致，這無疑會(huì)給設(shè)計(jì)效率以及工程的可靠性、經(jīng)濟(jì)性帶來不利影響。筆者從最為常見的明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，以基礎(chǔ)性的國(guó)家規(guī)范《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》［4］(以下簡(jiǎn)稱“可靠性統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”)為指南，討論地鐵車站結(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)考慮的幾種設(shè)計(jì)狀況，并應(yīng)用新的設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)方法詳細(xì)分析各設(shè)計(jì)狀況的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，從中找出結(jié)構(gòu)的控制性設(shè)計(jì)狀況。

2 設(shè)計(jì)狀況簡(jiǎn)介

2.1 設(shè)計(jì)狀況

地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮哪些情況，許多規(guī)范和文獻(xiàn)并不統(tǒng)一。《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定“地下結(jié)構(gòu)應(yīng)就其施工和正常使用階段，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算”［5］，這一說法過于寬泛。首先，地震和戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)的狀況是否屬于正常使用階段有待論證;其次，由于地下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其正常使用階段應(yīng)包含有多種情況。《上海市地方建設(shè)規(guī)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(zhǔn)確，因?yàn)樗鼪]有指出這些工況屬于結(jié)構(gòu)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(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》出發(fā)，則可以從理論上系統(tǒng)認(rèn)識(shí)地鐵車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)究竟有哪些情況需要進(jìn)行計(jì)算分析。《可靠性統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》推薦采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，同時(shí)規(guī)定工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)區(qū)分4種設(shè)計(jì)狀況:持久設(shè)計(jì)狀況、短暫設(shè)計(jì)狀況、偶然設(shè)計(jì)狀況、地震設(shè)計(jì)狀況。對(duì)于地鐵車站結(jié)構(gòu)來說，持久狀況是指結(jié)構(gòu)使用時(shí)的正常情況，短暫狀況是指結(jié)構(gòu)施工時(shí)的情況，偶然狀況是指人防情況，地震狀況是指結(jié)構(gòu)遭受地震時(shí)的情況。此標(biāo)準(zhǔn)又規(guī)定，對(duì)4種設(shè)計(jì)狀況，均應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。

2.2 作用組合

進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)狀況采用下列作用組合:基本組合，用于持久或短暫設(shè)計(jì)狀況;偶然組合，用于偶然設(shè)計(jì)狀況;地震組合，用于地震設(shè)計(jì)狀況。

基本組合用于持久設(shè)計(jì)狀況，對(duì)于其他簡(jiǎn)單的工程結(jié)構(gòu)來說情況并不復(fù)雜，但對(duì)于地鐵車站需要進(jìn)行認(rèn)真研究。對(duì)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(dǎo)，此種模式對(duì)應(yīng)軌道交通運(yùn)營(yíng)時(shí)段，車站頂板地面超載較大，中板、站臺(tái)板人群活荷載也較大，此時(shí)車站整體呈下沉趨勢(shì)，底板下土體受壓，壓頂梁不起作用;②水浮力占主導(dǎo)，此種模式對(duì)應(yīng)軌道交通非運(yùn)營(yíng)時(shí)段，由于地面車流量小，頂板超載略去不計(jì)，而各層板的人群活荷載也不考慮，此時(shí)車站整體呈上浮趨勢(shì)，底板下土體不再受壓，而壓頂梁開始起作用。對(duì)于重力占主導(dǎo)的受力模式，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的條文規(guī)定，由于超靜定結(jié)構(gòu)某些構(gòu)件中的某些截面是按側(cè)壓力或底板水反力最小的情況控制設(shè)計(jì)的，所以應(yīng)分別考慮最高和最低水位兩種情況。

從以上分析可知，對(duì)地鐵車站進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)分析時(shí)，一共有3種作用組合，其分項(xiàng)系數(shù)如表1所示。

表1 作用組合分項(xiàng)系數(shù)

以下將根據(jù)地鐵車站在其全生命周期內(nèi)的各種設(shè)計(jì)狀況，以深圳地鐵2號(hào)線東延段工程的華強(qiáng)北站為例，使用相應(yīng)的作用組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。

3 各設(shè)計(jì)狀況分析

深圳地鐵2號(hào)線東延段工程的華強(qiáng)北站位于深圳市振華路與華強(qiáng)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(jié)構(gòu)，埋深約16.8 m，頂板覆土約3.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.0 m，長(zhǎng)度為207.0 m。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為100年。車站結(jié)構(gòu)頂板、側(cè)墻、底板按6級(jí)人防荷載考慮。地震設(shè)防烈度按7度設(shè)計(jì)，地震特征周期0.35 s，建筑場(chǎng)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(nèi)巖土分布主要為:素填土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、礫質(zhì)黏性土、全(強(qiáng))風(fēng)化花崗巖等。以下各設(shè)計(jì)狀況的結(jié)構(gòu)分析均針對(duì)車站標(biāo)準(zhǔn)段橫截面，采用有限元程序進(jìn)行模擬。限于篇幅，本文只給出各設(shè)計(jì)狀況的彎矩結(jié)果，重要截面的剪力和軸力情況輔以文字說明。

3.1 持久設(shè)計(jì)狀況

3.1.1 重力占主導(dǎo)

重力占主導(dǎo)時(shí)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(shí)需考慮最高水位和最低水位兩種工況，永久作用分項(xiàng)系數(shù)取1.35，可變作用分項(xiàng)系數(shù)取 1.4，其計(jì)算彎矩見圖1～圖2。

圖1 重力主導(dǎo)時(shí)的高水位彎矩圖

圖2 重力主導(dǎo)時(shí)的低水位彎矩圖

從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，重力占主導(dǎo)的情況下，結(jié)構(gòu)大部分位置的彎矩基本受高水位控制，只有在側(cè)墻(與中板連接的節(jié)點(diǎn)處)局部區(qū)域，低水位會(huì)產(chǎn)生比高水位更大的負(fù)彎矩，側(cè)墻配筋時(shí)應(yīng)予以注意。

3.1.2 水浮力占主導(dǎo)

水浮力占主導(dǎo)時(shí)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(shí)考慮壓頂梁的作用。水浮力占主導(dǎo)時(shí)與重力作用方向相同的永久作用對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利［7］，故水浮力分項(xiàng)系數(shù)取1.35，其他永久作用分項(xiàng)系數(shù)取1.0，可變作用分項(xiàng)系數(shù)取1.4，其計(jì)算彎矩圖見圖3。

從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水浮力占主導(dǎo)的情況下，由于結(jié)構(gòu)受力模式的改變，其彎矩分布及大小和重力占主導(dǎo)時(shí)有很大區(qū)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(dǎo)時(shí)大，這說明水浮力占主導(dǎo)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的許多截面有控制作用，是一個(gè)必須引起重視的計(jì)算工況。

圖3 水浮力主導(dǎo)時(shí)的彎矩圖

3.2 短暫設(shè)計(jì)狀況

短暫設(shè)計(jì)狀況是指結(jié)構(gòu)施工時(shí)的情況，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》提倡在施工階段按施工過程進(jìn)行分析，在使用階段要考慮施工階段結(jié)構(gòu)體系中已產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。某文獻(xiàn)按考慮施工過程影響和不考慮施工過程影響兩種方法對(duì)某地下車站進(jìn)行分析，得出的內(nèi)力包絡(luò)圖有較大不同，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，由于全過程增量法計(jì)算工作量大且沒有計(jì)算機(jī)專用程序，故普遍采用不考慮施工過程影響的分析方法。對(duì)施工階段的分析，也只是采用商業(yè)軟件計(jì)算開挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。對(duì)此該文獻(xiàn)指出，如果在施工圖階段采用這種方法，需對(duì)截面配筋做出適當(dāng)調(diào)整［3］。

3.3 偶然設(shè)計(jì)狀況

偶然設(shè)計(jì)狀況對(duì)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(shè)計(jì)規(guī)范》［8］于2009年7月施行，使軌道交通領(lǐng)域的人防設(shè)計(jì)有了自己的準(zhǔn)則，以下將主要根據(jù)此規(guī)范進(jìn)行偶然設(shè)計(jì)狀況的分析。限于篇幅，僅以核武器一次作用為例。

核爆炸動(dòng)荷載可等效為靜荷載，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)模型，其標(biāo)準(zhǔn)值可計(jì)算為

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

以華強(qiáng)北站頂板為例，計(jì)算各參數(shù)值。由于覆土厚度3.5 m大于結(jié)構(gòu)不利覆土厚度，且小于兩倍不利覆土厚度，頂板動(dòng)力系數(shù)Kd=1.45，頂板綜合反射系

1數(shù)K=1.32，土體中壓縮波波形可簡(jiǎn)化為有升壓時(shí)間的三角形，波峰值壓力可計(jì)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(shí)間;c1為土的峰值壓力波速;δ為土的應(yīng)變恢復(fù)比。

通過加權(quán)平均各土層的參數(shù)值，經(jīng)計(jì)算得出Ph=9.8 kPa，從而有

人防狀況時(shí)永久荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，人防等效靜荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，其計(jì)算彎矩如圖4所示。

圖4 人防組合彎矩圖

從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，人防狀況各截面的計(jì)算彎矩均比持久設(shè)計(jì)狀況要小，這說明人防設(shè)計(jì)狀況對(duì)地下車站的橫截面受力不起控制作用，但需注意人防動(dòng)荷載的特殊性以及規(guī)范對(duì)某些構(gòu)件驗(yàn)算時(shí)的特殊要求，并在構(gòu)造上采取一些必要的防護(hù)措施。

3.4 地震設(shè)計(jì)狀況

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(征求意見稿)的相關(guān)規(guī)定，可以采用反應(yīng)位移法［9］進(jìn)行地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震分析，將周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧，結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧＃鐖D5所示。

圖5 地下車站抗震分析模型示意

反應(yīng)位移法是對(duì)傳統(tǒng)地震系數(shù)法的發(fā)展，考慮了土層相對(duì)位移、結(jié)構(gòu)慣性力和結(jié)構(gòu)周圍剪力的作用。

3.4.1 土層相對(duì)位移作用

土層相對(duì)位移的作用可分別轉(zhuǎn)換為直接施加在結(jié)構(gòu)側(cè)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(jié)構(gòu)側(cè)壁和頂板的等效荷載;kh為結(jié)構(gòu)側(cè)壁壓縮地基彈簧剛度;ksv為頂板剪切地基彈簧剛度系數(shù);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(jù)一維土層的運(yùn)動(dòng)微分方程［10］，通過近似處理得到

式中，Sv為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面速度反應(yīng)譜;Ts為考慮土層地震應(yīng)變水平的場(chǎng)地特征周期;H為地表至設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面的距離。

3.4.2 結(jié)構(gòu)慣性力

結(jié)構(gòu)慣性力指地下結(jié)構(gòu)因自身質(zhì)量在地震時(shí)產(chǎn)生的慣性力，等于結(jié)構(gòu)重量乘以設(shè)計(jì)水平地震影響系數(shù)α。而設(shè)計(jì)水平地震影響系數(shù)可通過最大水平地震影響系數(shù)經(jīng)地基、埋深等修正后得到。

3.4.3 結(jié)構(gòu)周圍剪力作用

對(duì)式(7)求導(dǎo)并乘以土層的動(dòng)剪切模量，就得到了結(jié)構(gòu)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(dòng)剪切模量，可根據(jù)土體密度和土層剪切波波速求得。

3.4.4 計(jì)算結(jié)果

下面根據(jù)華強(qiáng)北站所處場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件計(jì)算有關(guān)參數(shù)。側(cè)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(shù)ksv=1×107N/m3，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面速度反應(yīng)譜Sv=0.18 m/s，場(chǎng)地特征周期Ts=0.437 5 s，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面H=22 m，設(shè)計(jì)水平地震影響系數(shù)α=0.068，動(dòng)剪切模量Gd=37.3 MPa。

在地鐵車站抗震設(shè)計(jì)荷載組合方面，采用現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。但對(duì)一些地下結(jié)構(gòu)特有荷載，如地面車輛超載等可變作用，分項(xiàng)系數(shù)取1.0，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，通過有限元計(jì)算，其彎矩見圖6。

圖6 地震組合彎矩圖

從以上計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，地震狀況的計(jì)算彎矩具有明顯不同于上述其他設(shè)計(jì)狀況的特點(diǎn)，在側(cè)墻和頂板的節(jié)點(diǎn)處，在負(fù)一層側(cè)墻的跨中以及側(cè)墻與中板的節(jié)點(diǎn)處均出現(xiàn)了比上述其他設(shè)計(jì)狀況更大的彎矩。通過軸力分析還可以發(fā)現(xiàn)，地震作用時(shí)頂板、中板的軸力大幅度增加，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行偏心受壓構(gòu)件的驗(yàn)算。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者從基礎(chǔ)性規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，討論了地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的幾種設(shè)計(jì)狀況，詳細(xì)分析了各作用組合的分項(xiàng)系數(shù)取值，力求做到有據(jù)可依。本文結(jié)合深圳地鐵2號(hào)線華強(qiáng)北站這一工程實(shí)例，對(duì)各設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明:①在持久設(shè)計(jì)狀況下，重力占主導(dǎo)或水浮力占主導(dǎo)這兩種受力模式會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生顯著影響，而水位的變化也會(huì)對(duì)某些截面產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)配筋時(shí)應(yīng)采用上述幾種工況的包絡(luò)圖進(jìn)行;②人防設(shè)計(jì)狀況對(duì)地下車站橫截面受力不起控制作用，但需注意人防動(dòng)荷載的特殊性并滿足一定的構(gòu)造要求;③地震設(shè)計(jì)狀況會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的很多節(jié)點(diǎn)受力產(chǎn)生影響，同時(shí)會(huì)增加某些構(gòu)件的軸力，因此需驗(yàn)算結(jié)構(gòu)配筋是否滿足，并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。

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

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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(jiǎn)介:羅旭，男，助理工程師，從事城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，luolicn2003@yahoo.com.cn

(編輯:郝京紅)