非對稱邊界無柱大跨地鐵車站受力分析

高 偉 黃小平 戴長勝

1. 同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092；

2. 上海申通地鐵集團有限公司 上海 201103；

3. 上海軌道交通十五號線發展有限公司 上海 200231

相較于傳統地鐵車站，無柱大跨車站具有空間通透、視野開闊、客流順暢等優點，目前已在上海、廣州、深圳等多地得以實踐。林偉波[1]針對頂板加腋式無柱大跨地鐵車站進行靜動力性能研究。何旭升等[2]、楊磊等[3]以南寧某無柱大跨變截面地鐵車站為例，結合振動臺試驗結果進行車站結構靜動力特性分析。寧子健[4]運用三維有限元軟件對廣州某地下4層無柱大跨變截面地鐵車站進行動力時程分析。楊成蛟等[5-6]分別針對11、12 m寬島式站臺明挖無柱拱形地鐵車站的整體設計進行了詳盡論述。以上工程地鐵車站兩側均為迎土對稱邊界，車站水平受力對稱。上海軌交15號線新建上海南站站一側結合下沉式廣場設計，其標準斷面為一側迎土、一側敞開的非對稱邊界。本文針對此類非對稱邊界地鐵車站，對在不同覆土條件下的車站結構受力特性進行分析，并驗算地震作用下車站的結構安全性。

1 工程概況

上海軌交15號線上海南站站位于滬閔路和柳州路交叉口徐匯萬科中心地塊內，沿柳州路東側南北向布置，北端緊鄰滬閔路（圖1）。車站為地下3層島式車站，車站外包總長度169 m，標準段外包寬度26.4～27.2 m，標準段深度約25.2 m。

圖1 軌交15號線上海南站站平面

車站與已建的萬科中心三期項目共墻，開發項目地下3層，深度約15.2 m，鋼筋混凝土框架結構，鉆孔灌注樁基礎；鄰近地鐵側為萬科下沉式廣場，開挖深度約11 m。

作為鐵路換乘進入上海的標志性車站，車站設計之初就致力于打造成為軌交15號線最美車站之一，同時考慮到車站大客流因素，車站站廳層采用無柱方案。通過頂層設大跨拱梁和拱板，給乘客提供一個高達8.52 m、寬度23.5 m的寬敞明亮的空間和環境（圖2）。

圖2 站廳層建筑效果

2 車站結構設計

通常情況下，為預留車站建成后頂部遠期重力流管道路由，車站覆土一般為3 m，但對于無柱大跨車站，過大的覆土荷載會導致拱頂及側墻彎矩急劇增大，造成結構設計困難。本工程車站位于地塊內，車站平面范圍內無大直徑管線分布，因此車站埋深不受管線制約，可以在受力合理范圍內盡量淺埋。同時，為滿足區間下穿既有隧道要求，本站設置為地下3層站。此外，本車站結合地塊下沉式廣場開發統籌考慮，車站站廳層近下沉式廣場側為大開口結構，另一側為常規迎土側，車站水平向承受非對稱荷載。

基于以上條件，初步擬定車站橫斷面形式為：車站采用3層，頂層為無柱大跨拱形，設備層及站臺層為兩柱三跨，縱向間距9 m設置拱形肋梁及中柱、邊柱，中柱兩側縱向設2排抗拔樁，側墻采用疊合墻（圖3）。

圖3 車站標準段橫斷面

本文利用SAP2000軟件建模計算，取柱跨板寬，按平面框架有限元計算，將底板下土體作用按一系列僅承受壓力、不能承受拉力的土彈簧進行模擬，分別考慮車站結構承受向下荷載和向上荷載2種最不利工況進行計算，根據計算內力包絡圖進行板和側墻的配筋。驗算結構裂縫寬度時，取彎矩計算結果標準值。其中，向下荷載最不利工況為假定車站底板泄水孔仍然使用，底板不受水浮力；向上荷載最不利工況為底板泄水孔封閉，車站尚未裝修，未承受任何活載，底板承受最高水位浮力。車站計算荷載簡圖如圖4所示。

圖4 車站計算荷載簡圖

2.1 底板受力分析

車站底板埋深25 m，地下水位為地面下0.5 m，車站底板承受水反力較大，因此對于空間要求不高的設備層與站臺層可設置雙排柱。由于頂層未設置中柱，底板水反力無法由中柱傳遞至頂板，且頂板覆土壓重也較小，因此在不設置抗拔樁時，底板彎矩最大值可達45 500 kN·m，故本工程于中柱兩側縱向間距3 m設置2排抗拔樁，使底板最大彎矩減小至4 890 kN·m。

2.2 頂板、側墻受力分析

上節計算結果表明，由于車站鄰近下沉式廣場側無水土荷載，車站側墻受力兩側不對稱，站廳層鄰近下沉式廣場側彎矩值更大，且對應設備層側墻彎矩明顯大于迎土側側墻彎矩，彎矩傳遞至站臺層時，車站兩側彎矩相對對稱，非對稱邊界影響可忽略。

此外，無柱大跨拱形車站結構頂板由于跨度較大，承受較大覆土壓力，頂板跨中及支座處彎矩較為顯著，保持車站跨度不變，通過計算對比不同覆土情況下車站頂板及側墻最大彎矩，分析結果如圖5所示。

圖5 最小覆土與頂板、側墻彎矩關系

從圖5可見，隨著覆土厚度的增加，頂板跨中彎矩接近線性增大，但側墻最大彎矩增幅相對較緩，因為頂板兩側支撐條件穩定，跨中彎矩隨荷載線性變化，側墻部分彎矩傳遞至中板及下一層墻體，增幅相對較平緩。

2.3 站廳層中板受力分析

通過計算，不同覆土條件與站廳層中板軸力關系見圖6。從圖6中可見，站廳層中板軸力隨著不同覆土變化較大。在荷載向下最不利組合的情況下，即車站底板泄水孔未封閉，車站回筑完成時，隨著覆土增大，側墻高度減小，站廳層中板軸力由壓力逐漸轉變成拉力，當最小覆土由0.8 m增加至2.3 m時，站廳層中板軸力恰好為0，隨著最小覆土的進一步增大，中板存在受拉工況，板的受力狀態由壓彎構件轉化為拉彎構件，對結構受力不利。因此，在設計時應選取合適的覆土，避免中板出現受拉工況。

圖6 最小覆土與中板軸力關系

2.4 結構變形分析

經驗算，拱形梁跨中豎向最大位移為27.8 mm，撓度比為1/911，滿足GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》受彎構件撓跨比限值1/300的要求。

3 車站抗震性能分析

為了驗算車站結構在地震作用下的結構受力性能，采用時程分析法進行車站結構抗震計算。抗震計算時采用Midas GTS-NX軟件，建模縱向長度選取車站縱向標準柱跨，橫向寬度兩邊分別外擴3倍車站寬度，模型深度為70 m，側面邊界采用自由場邊界，底部為固定邊界并作為地震動輸入端。模型計算地震波入射平面垂直于車站縱向軸線，不考慮斜入射影響及行波效應。地震波采用E2地震作用未來50年超越概率10%時的地震波，地震持續時間為結構基本周期的5～10倍，計算采用Rayleigh阻尼，有限元計算模型見圖7。

圖7 抗震時程分析計算模型

靜力荷載及地震偶然組合下的車站結構內力見圖8。從圖8中可看出，地震工況下：車站站臺層中柱與樓板交點應力顯著增大，這與日本1995年阪神大地震所致地鐵車站震害規律一致[7]。此外，由于站廳層左右邊界的不對稱性，迎土側土壓力在水平地震作用下導致開洞側側墻與頂板交點應力較大。因此，結構設計時對站廳層開洞側側墻與頂板交點設置加強縱梁，對中柱與樓板銜接處節點配筋予以加強。

圖8 靜力與地震作用下車站應力

4 結語

1）無柱大跨車站可在站廳層營造通透的大空間，但在人流密度不高的設備層、站臺層，為使結構受力更合理，可維持傳統中柱設計，對于地下水位較高的地區，由于底板中柱豎向支撐力較弱，且站廳層中柱缺失，底板在水反力作用下可出現較大跨中彎矩，一般可采取增設抗拔樁的措施優化底板受力。

2）由于車站站廳層一側開洞、一側迎土，邊界及荷載條件均不對稱，導致開洞側所在的站廳層及對應的設備層側墻彎矩顯著增大，結構設計時應對該側側墻與框柱予以適當加強。

3）不同的頂覆土條件下，站廳層中板軸力出現不同受力狀態，較大的覆土會導致中板出現拉應力，中板受力由壓彎構件轉換成拉彎構件，對結構設計不利，應予以避免。

4）非對稱邊界無柱大跨車站地震作用下，站廳層開洞側結構構件應力顯著增大，頂板與側墻交點在結構設計時應予以加強。此外，車站站臺層中柱與樓板交點在地震作用下應力顯著增大，是車站結構薄弱點。