明挖地鐵車站空間效應對結構設計的影響

董 樑

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200235)

0 前 言

國內地鐵車站一般為狹長型標準段，通常縱向尺寸比橫向大很多。設計時可通過建立在彈性地基上的框架模型為基準，且相比于其他類型的模型，平面模型易掌握，也能較好地控制工程精度，因此使用率較高。但是，在縱向上地鐵車站的中柱并不連續，這會造成車站結構在縱向上的尺寸、剛度、地基反力等出現變化，此時，若計算平面模型結構仍將中柱按照剛度等效成縱向薄連續墻，得到的結果會出現偏差，平面模型簡化后未考慮結構實際尺寸對受力的影響，同時將單位板簡化成梁的做法也忽略了空間效應。目前國內研究此課題的人員極少，空間計算分析也只存在于小范圍內。本文結合具體工程，對空間和平面模型的差異進行分析比較，希望為設計人員提供借鑒。

1 工程實例

七寶站為上海軌道交通市域線嘉閔線工程第11座車站，站位位于閔行區漕寶路與七莘路交叉口南側，沿七莘路南北向敷設。車站北側為匯寶購物廣場及星鉆城，東側現狀為七寶萬科廣場及青南小區，西側為牡丹新村小區及萬兆家園。

車站為地下3層雙柱三跨13 m島式站臺車站，車站規模21.7 m×245 m(內凈)，中心里程CK35+517.300，通過改造周邊地塊預留通道與9號線七寶站換乘。共設5個出入口，3組風亭，4個安全出入口，總建筑面積為26 827.97 m2。

2 地鐵車站結構設計中空間利用的必要性

相比于平面模型，空間模型具有更強的直觀性，能形成一種結構遷移。同時，為有效抵抗水土壓力及荷載壓力，在設計地鐵車站結構時，要綜合考慮頂板在不斷增大的壓力負荷之下，會讓邊墻受到更多主動土的作用，從而擴大頂梁與底梁截面高度的問題[1-2]。綜合這些因素和問題，在構筑之前先完成特殊土層的布置和對厚度的有效設定。此時借助空間模型可憑借其模擬能力，在展現不同程度設置要求的同時，可根據相關規范、標準和本工程的設計要求計算荷載壓力。此外，地鐵車站設計的具體圖形和現狀可通過空間模型的三維模擬展現，設計人員可通過對平面模型和三維空間模型的分析對比，總結出兩種模型的差異和對應性。

3 計算模型

3.1 平面模型

通過每延米的等效成梁單元進行頂板、中板、底板和內襯墻的建模，因每個區域的施工條件不同，柱子并不能全部沿縱向連續布置，因此要先對柱子進行等效處理，待此項工作完成后才能建立平面模型。可以先按照等效剛度將其折算成中隔墻，再取其中的一小部分建模。得到的結果減掉要反算回去的柱子所受的軸力后剩余數值就是每延米的受力。

3.2 空間模型

按板殼單元如實進行頂板、中板、內襯墻和底板建模，對于中柱、柱單元、邊界條件的模擬和荷載的施加可參照平面模型中的方式。

3.3 模型校核

平面與空間兩種模型從材料性質、截面屬性、施加荷載上都一樣，且兩者在橫向上的支座反力和變形規律也基本一致，因此可將兩種模型看作對應模型。但是，因平面模型無法有效考慮縱向空間作用，故底板沿著縱向變形出現的波動也很難在平面模型中體現出來。

4 計算結果對比分析

底板是整個車站結構中受力最大的部分，且其具有很強的代表性，所以，后文的相關分析討論也只以底板的計算結果為參照。

4.1 底板彎矩沿車站橫向對比

通常情況下，不論是車站的設計還是施工，橫向都以中柱為中心線呈對稱結構，因此，本文中所涉及的所有分析都只取一邊的數據，接近0、-5、-10 m的位置分別為底板靠近中柱處、底板跨中和底板靠近側墻處。本文定義底板下側受拉為正。通過圖1可看出，底板下側靠近側墻和中柱的位置受拉最為明顯，底板上側靠近跨中的位置受拉則最明顯，這種現象在平面和空間兩種模型中都有所展現，這是因為水向上的浮力會在底板上起作用，此時側墻和中柱則會在一定程度上限制底板變形。

平面模型比空間模型的彎矩計算結果大，但跨中位置除外，出現此種情況是因為在平面模型計算時，只計算了單獨的一榀框架，空間效應的影響未被考慮，但車站實際是由多個這樣的框架組合而成的，在施工開始后，框架之間會存在一定的幫助效應，因此在計算彎矩時，通常平面模型計算得到的值會比空間模型大，此現象在靠近中柱和側墻的位置特別突出。上文有提及車站縱向上的中柱并不連續，但平面模型中將中柱按照剛度等效以每延米的標準設置了中隔墻，忽略縱梁可能會出現的變形問題。相反，空間模型對這種實際的作用和問題有一定的考慮，具體可通過空間模型跨中與柱上板帶的計算結果來反映，結合圖1可知，跨中與柱上板帶的彎矩在跨中和側墻處極接近，因中柱處的應力在中柱位置集中，因此，會讓靠近中柱位置的柱上板帶彎矩展現出明顯增大的趨勢。

圖1 底板沿橫向彎矩對比

4.2 底板彎矩沿車站縱向對比

通常情況下，基本模型的標準柱距是8.5 m，通過對比平面與空間兩種模型沿縱向底板彎矩的大小可確定：兩者得到的結果存在差異，且空間模型的結果小于平面模型，但在側墻和跨中位置兩者卻有相同的規律。因底板受中柱約束，在空間模型中，底板靠近中柱處的彎矩沿縱向出現波動時，板的左右兩邊會將豎向荷載傳遞給縱梁和邊墻，但現在本應傳遞給縱梁的荷載卻沿著中柱傳遞給了底板，這時就會出現一系列不連續的點，從而造成了應力集中的現象。

5 中柱柱距對結構空間效應的影響

目前，國內已建地鐵中常見的柱間距有7、7.5、8.5、9、9.5 m。為更好地觀察空間模型的計算結果，本文分別取柱跨7、7.5、8.5、9、9.5 m建立5個模型，并提取這些模型的中底板內力結果，如圖2～6所示。

圖2 底板側墻處彎矩比值與柱距關系

圖3 底板中柱處沿縱向彎矩對比

圖4 底板跨中處沿縱向彎矩對比

圖5 底板側墻處沿縱向彎矩對比

圖6 中柱處彎矩比值與柱距關系

從圖2～6可看出，兩種模型在底板側墻位置的彎矩具有類似的變化規律，但此處彎矩與跨度的變化成正比，這時因此在單位荷載不變的情況下，隨著柱距的不斷增加，不僅會減弱車站中間位置的剛度，而且會讓荷載向著側墻的位置有所轉移。此時中柱處底板的彎矩也會出現較大程度的變化，通常會表現為柱上板帶與平面模型二者彎矩的比值與柱距也成正比，跨中板帶與平面模型二者彎矩的比值與柱距則成反比，這種結果說明增大跨度值，會讓框架柱對柱上板帶的約束更為明顯，而對跨中板帶受的約束則逐漸減弱。

6 結束語

地鐵車站建設極為復雜，計算機技術的發展和進步讓空間模型計算逐漸普及，同時不應忽略對地鐵車站內力變化規律的研究。通過本文的研究可得出以下結論。

1)從計算結果來看，平面與空間兩種模型有明顯差距，因此將中柱等效與縱向薄墻對等不僅缺乏有效的理論支撐，也會讓設計者忽視空間結構變形對整個工程的經濟性帶來的影響。

2)柱距增加讓柱上板帶受框架柱的約束增強，跨中板帶受框架柱的約束則減弱。

3)建議在建設標準的地鐵車站時，將側墻與中柱位置底板的最大削峰控制在80%以內。

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