中庭式地下車站結構設計方案優化

江建紅 李 坤 杜 欣

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢∥第一作者，工程師）

中庭式地下車站結構設計方案優化

江建紅 李 坤 杜 欣

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢∥第一作者，工程師）

中庭式地下車站是當前地鐵建設的新興建筑形式，亦是地下結構設計難點問題。采用數值模擬的方法分析地下車站大開孔段主要構件工作機理，提出了開孔段外側墻加豎直肋梁、側墻外擴加豎直肋板、開孔段加橫撐三種結構優化方案，并利用地下車站有限元模型分析平臺對不同結構優化方案進行數值模擬。通過定量分析三種結構優化方案對車站主要構件力學響應，得出了不同方案的優化效果。經過對數值模擬結果比較分析，確定了側墻外擴加肋板和開孔加撐是較合理的中庭結構優化方案。

軌道交通；地下車站；中庭結構；方案優化；數值分析

First-author'saddressChina Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，430063，Wuhan，China

中庭式地下車站具有空間、通風、采光等方面的優勢，越來越多地應用于地鐵和城際鐵路等領域。中庭式結構由于取消了部分樓板，對結構水平向剛度影響顯著，不利于車站開孔段構件的受力，使得部分構件出現位移較大，應力集中等現象。因此，中庭結構設計方案的優化是中庭結構設計中的重要研究課題，受到廣泛關注。

目前，已有學者對地下中庭式車站的分析方法、受力特性等方面開展了研究。文獻［1］采用平面有限元方法，分析了車站開孔的受力特點，提出了將抗彎能力等效為受壓彈簧的平面計算處理方法；文獻［2］采用SAP2000軟件，計算得到結論：大范圍的中板被去除后形成的水平梁與中柱形成的結構體系因剛度偏弱難以對側墻形成有效的約束；文獻［3］利用通用有限元軟件，對有無中板形式的車站模型進行了三維對比分析。盡管中庭式地下車站結構已經得到設計人員的重視，并取得了有益的成果，但當前的主要研究內容集中在中庭結構本身的受力特點及機理分析，針對中庭結構設計方案優化的系統研究相對較少，研究成果尚難以運用于實際工程。

本文結合中庭結構力學響應有限元數值模擬，分析大開孔段主要構件工作機理，提出了開孔段外側墻加豎直肋梁、側墻外擴加豎直肋板、開孔段加橫撐三種結構優化方案，并利用地下車站有限元模型分析平臺對不同結構優化方案進行數值模擬。通過定量分析三種結構優化方案對車站主要構件力學響應，得出了不同方案的優化效果。經過對數值模擬結果比較分析，確定了側墻外擴加肋板和開孔加撐是較合理的中庭結構優化方案，為車站結構設計提供了可操作性強的改善工具。

1 中庭車站數值模擬及機理分析

1.1 車站開孔數值模擬

1.1.1 模型建立

某城際鐵路車站采用地下埋置方式（地下三

層），埋深約29 m，車站長約252 m，寬約25 m。車站為縱梁體系，頂板覆土厚度為3.1 m。

本文采用MIDAS/Gen V7.8版軟件進行數值模擬。車站結構建模過程中采用梁單元模擬梁、柱、樁；板單元模擬側墻和板。梁、板單元的截面特性及材料按結構實際取值，節點位置取結構中心點，單元平均尺度為1 m，依據車站設計圖按全尺寸建立實體數值模型。土體對墻體（底板）水平位移和垂直位移的約束作用采用水平彈簧、豎向彈簧模擬，彈簧只能受壓；土體對抗拔樁的作用采用拉壓彈簧模擬，各類單元、彈簧的本構關系不再贅述。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

數值模型的荷載采用有水工況計算，荷載重度取結構范圍內土體重度的加權平均值，靜止土壓力系數取0.45。經計算，輸入荷載參數見表1。

表1 荷載輸入值kPa

將地層參數、荷載、邊界條件輸入至各模擬工況即可形成相應的數值分析模型。通過對表1中工況的數值求解可獲得中庭結構響應結果。

1.1.2 數值模擬結果

經MIDAS/Gen V7.8版軟件計算，可得車站大開孔（38 m）的數值模擬結果。通過對數值模型初步分析，相比于無大開孔車站結構，中庭結構力學響應主要影響范圍在開孔范圍附近。將模型主要構件數值模擬結果列于圖2及圖3。

由數值模擬結果可見，開孔段主要構件水平向位移出現較大增長。構件彎矩因開孔存在而出現激增。總體上看影響范圍局限于開孔范圍內，大開孔顯著影響構件力學響應，不利于結構受力和變形。結構優化方案應著力解決構件位移過大和側墻、中柱彎矩突增問題。

圖2 結構主要構件位移圖

圖3 結構主要構件彎矩圖

1.2 中庭結構機理分析及方案優化

1.2.1 中庭結構機理分析

中庭結構在地上建筑中常見，應用較廣泛。地下結構由于邊界條件發生變化，結構體外墻側壓力不同于地上結構，使得中庭結構體的構件受力條件不同于一般地上結構。地下結構由于受到較大水平荷載作用，水平構件不僅承擔豎向荷載同時還作為水平支撐承擔側向水土壓力。因此，車站中庭式結構本質是將連續水平支撐截斷，形成了復雜中空結構。對于此類問題尚難以用解析方法求解，僅能采用數值分析手段求解其力學響應。

基于1.1節數值分析結果可見，力學響應變化區域集中在開孔段。由圖2b）可見，在開孔段對應的側

墻位移表現出類似雙向板的位移云圖。從側墻的受力條件分析，由于水平支撐被截斷側墻在開孔段的受力狀態與雙向板相同，開孔段的柱承擔部分彎矩，發揮橫梁作用。因此，優化中庭結構設計方案可參考降低雙向板力學響應手段采取相應工程措施。

1.2.2 擬定中庭結構優化方案

由1.2.1節開孔結構機理分析，中庭結構優化方案可將側墻開孔段區域近似視為雙向板。從降低雙向板撓度角度出發，考慮結構優化方案。

降低板的撓度一般可采用以下3種手段，一為增大構件的剛度；二為增加板對側墻的支撐剛度；三為設置梁系確保水平荷載能夠得到有效傳遞，從而減小板跨度。按照這一思路本文擬定了三套結構優化方案。

（1）中板大開孔段側墻加肋梁；

（2）側墻在設備層大開孔的七跨范圍內外擴2 m，并在外擴側墻上每隔5 m加設2 m長的500 mm厚肋板；

（3）站廳層在孔洞邊及孔洞中間20 m處加橫撐，設備層大開孔范圍內橫撐隔一加一。

其中，方案一對應加強側墻的豎向抗彎剛度，方案二對應加強板對側墻的支撐剛度同時提高整體剛度，方案三對應降低側墻受彎跨度。各方案對應的具體措施見圖4。

圖4 結構優化方案示意圖

2 中庭優化方案效果

2.1 優化方案數值建模

為分析不同優化方案對開孔結構力學響應的改善效果。基于1.1節數值模型平臺對3種結構優化方案進行數值分析。利用圖1模型添加3種方案對應的工程措施，得到優化方案模型列于圖5。

圖5 結構優化方案計算模型

2.2 優化方案數值模擬結果

對圖5所示3種數值模型進行求解，可得不同優化方案對應的主要構件力學響應指標。其中，位移指標列于圖6～8，側墻彎矩列于圖9，其他構件彎矩見表2。

圖6 不同結構優化方案中板橫向位移云圖

圖7 不用結構優化方案側墻橫向位移云圖

圖8 不用結構優化方案柱子橫向位移圖

3 方案比較結果分析

從3種方案數值模擬結果總體上均能改善構件力學響應，對結構水平橫向位移也有限制作用。但3種方案的具體特點和經濟性存在差異，有必要深入分析不同措施的特點。

3.1 橫向位移控制效果

橫向位移偏大是中庭式結構的主要特點，過大的側墻局部位移不利于結構受力和裂縫控制，影響車站整體結構和耐久性。同時，中柱橫向位移過大對其承壓能力和抗震性能有顯著影響。因此，優化中庭結構力學響應的重要方面即為控制結構開孔段構件的水平橫向位移。

圖9 不用結構優化方案側墻豎向彎矩云圖

表2 主要構件彎矩表k N·m

3種工程措施對構件橫向位移的控制具體為：

（1）在大開孔段側墻處增加肋梁后，側墻橫向最大變形減小了23.2%，柱子的橫向變形減小了24%；

（2）側墻外擴2 m且加肋板后，側墻的最大橫向位移減小了32%，柱子的橫向變形減小了32.7%；

（3）孔間加撐后，側墻的橫向位移減小了55%，柱子的橫向變形減小了57%。同時，側墻和柱的水平位移增加區域沿車站縱軸擴大。說明孔間加撐將幾種變形一定程度上分散，緩解了應力集中現象。

上述對構件位移定量分析結果可見，孔間加撐對變形影響最顯著，側墻外擴效果次之。

從措施機理上分析，孔間加撐減小跨度效果最明顯，側墻外擴加肋板提高水平抗彎能力和剛度次之，側墻加肋梁提高豎直向抗彎剛度相對較弱。3種優化方案中，孔間加撐雖效果明顯，但對中庭結構孔間有影響。如中間加撐不能滿足建筑空間效果等要求，則應先行排除該方案。

3.2 構件受力優化比較

中板大開孔對車站部分構件受力不利，開孔區

域側墻、板、柱出現應力集中現象。側墻、柱的彎矩發生較大增長。對結構安全不利。尤其是中柱彎矩增加較快，不利于結構整體穩定。

因此，控制構件應力過分集中和彎矩過快增長是結構優化方案的另一主要目標。三種工程措施對構件彎矩變化具體為：

（1）在大開孔段側墻處增加肋梁后：側墻豎向彎矩形減小了45%，柱子的橫向彎矩減小了5%；

（2）側墻外擴2 m且加肋板后，側墻豎向彎矩減小了45%，柱子的橫向變形減小了20%；

（3）孔間加撐后，側墻的豎向彎矩減小了6%，柱子的橫向彎矩減小了39%。

由數值模擬結果定量比較可見，側墻加肋和側墻外擴對側墻彎矩減小作用基本一致，側墻外擴對中柱的彎矩減小作用較側墻加肋梁更明顯。孔間加撐對側墻彎矩降低效果不顯著但對中柱彎矩降低作用相對明顯。

從優化措施機理角度分析，側墻加肋梁和外擴加肋板提高了板的剛度。圖7a）、b）彎矩圖表明，加肋梁和外擴區域剛度提高，彎矩分擔比相應增加，一定程度上降低了板的應力集中，但對中柱的彎矩減小作用較孔間加撐偏弱。

綜合位移控制和彎矩控制效果分析，開孔位置加橫撐方案對結構位移和中柱彎矩的優化效果明顯，工程耗費相對較低，應作為首選方案。但中間加橫撐影響了中庭結構的建筑空間完整性，如果車站建筑對中庭有明確空間要求，則應放棄此方案。

側墻加肋梁和側墻外擴加肋板方案相比較，從定量分析數據可知，側墻外擴加肋板方案優于側墻加肋梁方案，在控制位移，降低應力集中尤其是中柱彎矩方面均具有相對優勢。因此，在保證車站中庭空間完整性前提下應選擇側墻外擴加肋板方案。

3.3 優化方案經濟性及施工便利性比較

中板大開孔后，為了保證車站結構的安全及正常使用，結構構件尺寸會很大，構件含鋼量過高，不采取優化措施，經濟性最差，但對圍護結構影響較小。孔間加撐僅在孔間間隔增加橫梁，經濟性最好，施工便利，對圍護結構影響較小。側墻外加肋梁經濟性較孔間加撐差但優于側墻外擴加肋板方案，但側墻外加肋梁僅適用于圍護結構采用地下連續墻的方案，且施工較為困難；側墻外擴加肋板方案對圍護結構影響較小，施工方便。

4 結語

本文通過對某三層地下車站中庭結構的數值模擬，分析了中庭式地下車站的力學響應特點；結合數值模結果和中庭結構力-位移機理分析，擬定了三套結構優化方案，并利用數值模型平臺系統研究了各方案的實際優化效果，并獲得了以下結論：

（1）地下中庭結構的主要問題為開孔段出現位移突增和應力集中現象。優化方案可以側墻位移為著力點進行方案設計，實現對主要構件的力-位移優化。本文擬定了側墻加肋梁、側墻外擴加肋板和孔間加橫撐三套方案。

（2）開孔位置加橫撐方案對結構位移和中柱彎矩的優化效果明顯，工程耗費相對較低，但中間加橫撐較大地影響了中庭的建筑空間效果，如果車站建筑對中庭有明確空間要求，則應放棄此方案。

（3）側墻加肋梁和側墻外擴加肋板方案項目比較，從定量分析數據可知，側墻外擴加肋板方案優于側墻加肋梁方案，在控制位移、降低應力集中尤其是中柱彎矩方面均具有相對優勢。因此，在保證車站中庭空間完整性前提下應選擇側墻外擴加肋板方案。

［1］ 林蓼，王鵬.地鐵車站中庭結構探討［J］.都市快軌交通，2006，19（2）：50.

［2］ 劉鈞，沈曉偉.南京某明挖地鐵車站的中庭結構設計方法分析［J］.隧道建設，2009，25（5）：531.

［3］ 王玉鎖，王明年.對地鐵車站合理結構形式選擇的三維結構分析［J］.鐵道建筑，2007（5），：31.

［4］ 李興高，張彌.地鐵車站結構內力計算中的問題［J］.都市快軌交通，2005，18（5）：26.

［5］ 占文峰，王懌超.建筑結構樓板開洞部位分析及加強措施［J］.江西科學，2009，27（2）：233.

［6］ 趙玉仙.已有結構樓板開洞的有限元分析及其加固方法［J］.福建建筑，2012（1）：43.

［7］ 寧佐利，徐正良，劉洪波.上海軌道交通7號線龍陽路站的中庭結構設計［J］.城市軌道交通研究，2007（5）：35.

［8］ 林麗芬，羅文靜，雷振宇.廣州某地鐵站大空間中庭結構設計實例［J］.山西建筑，2005，31（16）：79.

On Optimized Atrium StructureProgram of Underground Station

Jiang Jianhong，Li Kun，Du Xin

Atrium structure of underground station is currently emerging in subway constructions，also a difficult problem in the design of underground structures.In this paper，the main component working mechanism of large open hole sectionat underground station is analyzed by using numerical simulation，three optimizedstructure programs are proposed：adding vertical rib beam to the lateral wall of open hole section；expanding the side wall outside and adding ribbed plates to the inside of the side wall；adding cross-braces to the open hole section.At the same time，the analysis platformof underground station finite element model is used to simulate the different structural optimization programs.Through quantitative analysis of the mechanical responseof three optimized structure programs to the main components of underground station，the effect of each program is obtained.After a comparative analysis of the numerical simulationresults，expanding the side wall outside，adding ribbed plates to the inside of the side wall and adding cross-braces to the open hole section proveto be more reasonable.

rail transit；underground station；atrium structure；optimized program；numerical analysis

TU 318：U 231.4

2013-12-12）