交通中心下方合建地鐵車站主體受力特點分析

李詩堯，邵 文

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

伴隨著城市土地資源日趨緊張和城市空間立體思路的發展，地鐵已成為人們利用地下空間，緩解地面交通，實現人車立體分流，保護文物古跡的一種有效形式。一個城市的地鐵網絡中，通常會有幾座車站選擇設置在該市與外界發生交流互通的樞紐節點上，例如火車站、高鐵站、飛機場等，以便有效將市內交通和對外交通進行連接，使高鐵站、飛機場等市政工程的功能更加健全。這類設置在交通樞紐處的地鐵車站，通常會選擇與地上建筑進行合建，以便節省投資、縮短工期等。這類地鐵車站與普通車站在設計過程中的受力特點有所不同。本文選擇了我國西北某市內一座與機場交通中心合建的地鐵車站作為研究對象，對這類地鐵車站主體的受力特點進行研究。

1 研究背景

所選車站屬該市機場改擴建市政配套工程，位于機場交通中心下方，與上部結構合建。車站主體結構設計采用鋼筋混凝土箱形框架結構形式，承受上部交通中心的荷載，整體可視為上部結構的基礎，上部交通中心的荷載通過轉換梁和隔震支座，以節點荷載的形式作用在車站結構的框架柱和側墻上。車站主體并非位于交通中心正下方，而是沿南側邊界與交通中心平行布置，因而上部荷載數值不均勻，靠近中心線一側荷載普遍大于外側，造成車站整體存在偏壓。此外，因上部結構荷載作用，靠近中心線一側側向壓力也大于外側。

車站全長245 m，為地下兩層明挖14 m站臺島式車站，標準段寬度23.3 m，主體高14.6 m，車站縱向柱距9 m，橫向柱距6.5 m，圍護形式為鉆孔樁加內支撐，明挖順作法施工[1]。建設場地內地形整體平坦開闊，地貌單元區為山前傾斜沖、洪積礫質平原區，主體結構處于無水卵石地層，密實度好，土層力學參數如表1所示。

表1 土層力學參數

2 車站模型建立

地鐵車站與上部交通中心位置關系橫斷面如圖1所示。

圖1 地鐵車站與上部交通中心位置關系(單位：mm)

2.1 車站主體構件尺寸

車站結構主要構件尺寸及材料如表2所示[2]。

表2 結構主要構件尺寸及材料

2.2 車站主體承受荷載

車站主體承受的主要荷載包括側向土壓力、頂板上部荷載(恒載+活荷載)、站廳層荷載(恒載+活荷載)、上部交通中心壓力(恒載+活荷載)、結構自重、超載等。偶然荷載考慮地震荷載，因上部結構關系，人防荷載不受控制[3-4]。主體橫斷面受力示意如圖2所示。

圖2 主體橫斷面受力示意

本車站的特殊之處在于上部交通中心的集中壓力荷載，由圖1可以看出，上部交通中心荷載通過轉換梁將壓力荷載分擔在隔震支座上，進而以點荷載的形式作用于車站結構柱和側墻上。由于地鐵車站處于交通中心一側下方，上部壓力存在偏壓，圖2左側壓力荷載約為右側的兩倍。本文分析的主要荷載組合如表3所示[5-6](括號內為對結構有利情況)。

表3 荷載組合

2.3 車站主體建模

車站主體承受的上部交通中心壓力值不同位置差別很大，不具備規律性，且荷載值較大，應視為主要控制荷載。鑒于此，在受力分析時，選擇Midas Gen軟件進行三維有限元建模分析[7-8]，構件尺寸按表2確定，其中頂、中、底縱梁和結構柱為梁單元，頂、中、底板和墻為板單元，邊界條件選擇面彈性支撐，豎向基床系數取90 MPa/m，側向基床系數取85 MPa/m。模型總共有節點19 931個，單元21 552個。

3 模型計算結果與分析

3.1 結構內力計算結果與分析

對模型進行靜力線性分析，可以得到結構構件的內力，結構底板沿車站長度方向彎矩分布規律一致，上部彎矩峰值點出現在支座處(結構柱支座和墻支座)，下部彎矩峰值點出現在跨中，且上部彎矩峰值為下部彎矩峰值2～3倍。

圖3為底板典型代表面基本組合下結構彎矩圖，可以看出，彎矩峰值在25軸處，基本組合下車站主體結構25軸橫斷面的彎矩如圖4所示(包含頂、中、底板和側墻)。

圖3 基本組合下結構底板彎矩圖(部分)(單位：kN·m)

圖4 基本組合下結構25軸橫剖面彎矩圖(單位：kN·m)

可以看出，底板彎矩峰值為頂板和中板彎矩峰值的十幾倍。此外，不同于一般的標準對稱車站，該車站頂板兩個柱支座處的彎矩方向相反，這會造成頂板此兩處位移差別較大，中板與頂板有相同規律。

底縱梁的彎矩要遠大于頂、中縱梁，且由于靠近中心線一側上部結構壓力荷載大于外側，導致兩條底縱梁的彎矩雖有相似的分布規律，但數值差別很大。基本組合下結構頂、中、底縱梁彎矩如圖5所示。

圖5 基本組合下結構梁彎矩圖(部分)(單位：kN·m)

將結構各構件基本組合和準永久組合下彎矩最大值進行匯總，如表4所示。

表4 結構各構件最大彎矩匯總 kN·m

3.2 結構變形計算結果與分析

準永久組合下結構頂板的豎直方向變形情況如圖6所示，準永久組合下結構中板的豎直方向變形情況如圖7所示。

圖6 準永久組合下結構頂板豎向變形(單位：m)

圖7 準永久組合下結構中板豎向變形(單位：m)

可以看出，準永久組合下結構頂板豎向的極限位移為0.016 m，25軸橫剖面兩柱支座豎向相對位移為0.01 m；中板豎向的極限位移為0.012 m，25軸橫剖面兩柱支座豎向相對位移為0.007 m，均滿足規范要求。

準永久組合下結構底板的豎向沉降值如圖8所示，準永久組合下結構墻豎向位移值如圖9所示。

圖8 準永久組合下結構底板豎向沉降(單位：m)

圖9 準永久組合下側墻豎向變形(部分)(單位：m)

可以看出，結構底板最大沉降為0.008 m，滿足規范要求。此處底板沉降小于頂板位移差值，是由于柱子承受很大的軸心壓力時，本身會產生一定程度的壓縮變形[9]。

側墻上部豎向位移要大于下部，這主要和側墻承受上部交通中心的豎向壓力較大有關。

表5為結構各構件內節點在準永久組合下的位移峰值。

表5 準永久組合下結構各構件內節點各向位移峰值 mm

由表5可以看出，結構整體沿重力方向沉降比較明顯，且結構柱受壓產生了壓縮變形；又由于車站橫向兩側壓力荷載有差別，導致兩側存在位移差。

3.3 結構抗震驗算

按照《城市軌道交通結構抗震設計規范》(GB50909—2014)的規定[10]，對該車站在E2、E3地震作用下的結構整體變形性能進行驗算[11-13]。

車站結構在E2地震作用下橫剖面的變形值如圖10所示。由圖10可知，在E2地震作用下，結構負一層最大彈性層間位移比為1/3 425，負二層最大彈性層間位移比為1/586，根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》索引的《建筑抗震設計規范》標準[14]，E2地震作用下結構彈性層間位移角限值為1/550，故在E2地震作用下結構變形滿足規范要求。

圖10 E2地震作用下結構變形值(單位：m)

車站結構在E3地震作用下橫剖面的變形值如圖11所示。由圖11可知，在E3地震作用下，結構負一層最大層間位移比為1/2 283，負二層最大層間位移比為1/352，根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》，E3地震作用下鋼筋混凝土結構層間位移角限值為1/250，故在E3地震作用下結構變形滿足規范要求。

圖11 E3地震作用下結構變形值(單位：m)

4 結論與建議

通過對我國西北某市內與機場交通中心合建的地鐵車站主體結構受力特點研究，得到了以下結論和建議。

(1)由于承受上部結構集中荷載作用，車站主體結構內力比日常標準車站大，且內力分布形式也不同。

(2)由車站梁板受力特點看出，車站整體可視為上部結構的條形基礎。

(3)由于軸心受壓，結構柱存在一定程度的壓縮變形，且由于車站兩側壓力荷載差別，導致存在變形差。

(4)車站整體沿重力方向有一定沉降，且兩側存在沉降差，和結構柱變形差一起，導致頂板兩側位移差約10 mm，在工程設計中應引起注意。

(5)該車站在地震荷載作用下，下部位移比上部位移要大，這和日常標準車站的倒梯形位移分布有所區別。

通過建模分析，對機場交通中心下方地鐵車站的主體受力特點有了一定研究。近些年來，隨著綜合交通樞紐的理念不斷完善和發展，與上部結構合建的地鐵車站有很多，比如武漢天河機場站、鄭州新鄭機場站等。地鐵建設的這一趨勢，意味著套用傳統的標準車站受力模式進行車站主體受力分析是有局限性的，荷載作用形式、位置、大小的變化，都會對結構內力產生影響，這種影響有時體現在結構應力分布方面，有時體現在結構不同部位的位移差。本文提供的僅是一種分析思路，結構設計應做到具體問題具體分析。