地铁车站各设计状况的结构分析

罗 旭

(广州地铁设计研究院有限公司 广州 510010)

地铁车站各设计状况的结构分析

罗 旭

(广州地铁设计研究院有限公司 广州 510010)

讨论地铁车站结构分析时应考虑的几种设计状况。结合工程实例，针对位于高水位地区的地铁车站，提出持久设计状况的两种受力模式;采用轨道交通领域的人防设计规范进行偶然设计状况的分析，同时运用反应位移法进行地震设计状况的分析。通过比较，找出它们对地下结构使用和安全的不同影响，从而对地铁车站结构设计提供借鉴。

地铁车站;设计状况;地下结构;作用组合;反应位移法

1 研究背景

随着我国城市化进程的加快，交通拥堵问题日益突出，修建大运力的地铁系统已成为许多大城市的首选。在我国进入轨道交通建设繁忙时期的背景下，许多设计理念和设计标准却并没有得到一定程度上应有的统一。比如，关于水浮力对地铁车站结构设计的影响，很多文献［1-3］并不一致，这无疑会给设计效率以及工程的可靠性、经济性带来不利影响。笔者从最为常见的明挖地铁车站结构设计出发，以基础性的国家规范《工程结构可靠性设计统一标准》［4］(以下简称“可靠性统一标准”)为指南，讨论地铁车站结构分析时应考虑的几种设计状况，并应用新的设计规范和设计方法详细分析各设计状况的结构反应，从中找出结构的控制性设计状况。

2 设计状况简介

2.1 设计状况

地铁车站结构设计时应考虑哪些情况，许多规范和文献并不统一。《地铁设计规范》规定“地下结构应就其施工和正常使用阶段，进行结构强度的计算”［5］，这一说法过于宽泛。首先，地震和战争时的状况是否属于正常使用阶段有待论证;其次，由于地下结构的复杂性，其正常使用阶段应包含有多种情况。《上海市地方建设规范》［3］给出了3种工况:重力工况、水反力工况和立柱最大轴力工况，但这一说法同样不准确，因为它没有指出这些工况属于结构生命周期的哪一阶段，也没有明确是否还存在其他工况。

而从《可靠性统一标准》出发，则可以从理论上系统认识地铁车站的结构设计究竟有哪些情况需要进行计算分析。《可靠性统一标准》推荐采用极限状态设计方法，同时规定工程结构设计时应区分4种设计状况:持久设计状况、短暂设计状况、偶然设计状况、地震设计状况。对于地铁车站结构来说，持久状况是指结构使用时的正常情况，短暂状况是指结构施工时的情况，偶然状况是指人防情况，地震状况是指结构遭受地震时的情况。此标准又规定，对4种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计。

2.2 作用组合

进行承载能力极限状态设计时，应根据不同的设计状况采用下列作用组合:基本组合，用于持久或短暂设计状况;偶然组合，用于偶然设计状况;地震组合，用于地震设计状况。

基本组合用于持久设计状况，对于其他简单的工程结构来说情况并不复杂，但对于地铁车站需要进行认真研究。对广州深圳等地下水位较高的车站来说分为两种受力模式:①重力占主导，此种模式对应轨道交通运营时段，车站顶板地面超载较大，中板、站台板人群活荷载也较大，此时车站整体呈下沉趋势，底板下土体受压，压顶梁不起作用;②水浮力占主导，此种模式对应轨道交通非运营时段，由于地面车流量小，顶板超载略去不计，而各层板的人群活荷载也不考虑，此时车站整体呈上浮趋势，底板下土体不再受压，而压顶梁开始起作用。对于重力占主导的受力模式，《地铁设计规范》的条文规定，由于超静定结构某些构件中的某些截面是按侧压力或底板水反力最小的情况控制设计的，所以应分别考虑最高和最低水位两种情况。

从以上分析可知，对地铁车站进行承载能力极限状态分析时，一共有3种作用组合，其分项系数如表1所示。

表1 作用组合分项系数

以下将根据地铁车站在其全生命周期内的各种设计状况，以深圳地铁2号线东延段工程的华强北站为例，使用相应的作用组合进行结构受力分析。

3 各设计状况分析

深圳地铁2号线东延段工程的华强北站位于深圳市振华路与华强北路交叉口，采用明挖顺作法施工，车站为地下2层双跨箱型结构，埋深约16.8 m，顶板覆土约3.5 m，标准段宽度为19.0 m，长度为207.0 m。结构安全等级为一级，设计使用年限为100年。车站结构顶板、侧墙、底板按6级人防荷载考虑。地震设防烈度按7度设计，地震特征周期0.35 s，建筑场地类别为Ⅱ类。高水位取地面，低水位取地面以下6.5 m。车站范围内岩土分布主要为:素填土、淤泥质黏土、粉质黏土、砾质黏性土、全(强)风化花岗岩等。以下各设计状况的结构分析均针对车站标准段横截面，采用有限元程序进行模拟。限于篇幅，本文只给出各设计状况的弯矩结果，重要截面的剪力和轴力情况辅以文字说明。

3.1 持久设计状况

3.1.1 重力占主导

重力占主导时需考虑地面超载和各层板的活载，并用土弹簧模拟底板下土体的竖向抗力，同时需考虑最高水位和最低水位两种工况，永久作用分项系数取1.35，可变作用分项系数取 1.4，其计算弯矩见图1～图2。

图1 重力主导时的高水位弯矩图

图2 重力主导时的低水位弯矩图

从计算结果可以发现，重力占主导的情况下，结构大部分位置的弯矩基本受高水位控制，只有在侧墙(与中板连接的节点处)局部区域，低水位会产生比高水位更大的负弯矩，侧墙配筋时应予以注意。

3.1.2 水浮力占主导

水浮力占主导时不考虑顶板超载和各层板的人群活荷载，取消底板土弹簧，同时考虑压顶梁的作用。水浮力占主导时与重力作用方向相同的永久作用对结构受力有利［7］，故水浮力分项系数取1.35，其他永久作用分项系数取1.0，可变作用分项系数取1.4，其计算弯矩图见图3。

从计算结果可以发现，水浮力占主导的情况下，由于结构受力模式的改变，其弯矩分布及大小和重力占主导时有很大区别。其中，顶板中间支座、底板跨中、底板边支座的弯矩比重力占主导时大，这说明水浮力占主导时对结构的许多截面有控制作用，是一个必须引起重视的计算工况。

图3 水浮力主导时的弯矩图

3.2 短暂设计状况

短暂设计状况是指结构施工时的情况，《地铁设计规范》提倡在施工阶段按施工过程进行分析，在使用阶段要考虑施工阶段结构体系中已产生的内力和变形。某文献按考虑施工过程影响和不考虑施工过程影响两种方法对某地下车站进行分析，得出的内力包络图有较大不同，但是在实际设计工作中，由于全过程增量法计算工作量大且没有计算机专用程序，故普遍采用不考虑施工过程影响的分析方法。对施工阶段的分析，也只是采用商业软件计算开挖阶段围护结构的内力和变形。对此该文献指出，如果在施工图阶段采用这种方法，需对截面配筋做出适当调整［3］。

3.3 偶然设计状况

偶然设计状况对于地铁车站来说，就是指人防状况，《轨道交通工程人民防空设计规范》［8］于2009年7月施行，使轨道交通领域的人防设计有了自己的准则，以下将主要根据此规范进行偶然设计状况的分析。限于篇幅，仅以核武器一次作用为例。

核爆炸动荷载可等效为静荷载，从而简化设计模型，其标准值可计算为

式中，q1、q2、q3分别为结构顶板、外墙、底板的均布等效静荷载;Kd1、Kd2、Kd3分别为结构顶板、外墙、底板的动力系数;Ph，Ph'分别为顶板和外墙中点处的压缩波峰值压力;K为顶板综合反射系数;ξ为土的侧压系数;η为底压系数。

以华强北站顶板为例，计算各参数值。由于覆土厚度3.5 m大于结构不利覆土厚度，且小于两倍不利覆土厚度，顶板动力系数Kd=1.45，顶板综合反射系

1数K=1.32，土体中压缩波波形可简化为有升压时间的三角形，波峰值压力可计算为

式中，ΔPm=0.01 MPa为地面空气冲击波超压峰值;t2=1.04 s为降压时间;c1为土的峰值压力波速;δ为土的应变恢复比。

通过加权平均各土层的参数值，经计算得出Ph=9.8 kPa，从而有

人防状况时永久荷载分项系数取1.2，人防等效静荷载分项系数取1.0，结构重要性系数取1.0，其计算弯矩如图4所示。

图4 人防组合弯矩图

从计算结果可以发现，人防状况各截面的计算弯矩均比持久设计状况要小，这说明人防设计状况对地下车站的横截面受力不起控制作用，但需注意人防动荷载的特殊性以及规范对某些构件验算时的特殊要求，并在构造上采取一些必要的防护措施。

3.4 地震设计状况

根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》(征求意见稿)的相关规定，可以采用反应位移法［9］进行地铁车站结构抗震分析，将周围土体作为支撑结构的地基弹簧，结构采用梁单元建模，如图5所示。

图5 地下车站抗震分析模型示意

反应位移法是对传统地震系数法的发展，考虑了土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力的作用。

3.4.1 土层相对位移作用

土层相对位移的作用可分别转换为直接施加在结构侧壁和顶板上的等效荷载，有

式中，p(z)、p(zv)分别表示直接施加在结构侧壁和顶板的等效荷载;kh为结构侧壁压缩地基弹簧刚度;ksv为顶板剪切地基弹簧刚度系数;u(z)、u(zB)、u(zU)分别表示距地表面深度z处、底板zB处和顶板zU处的土层位移;而u(z)可根据一维土层的运动微分方程［10］，通过近似处理得到

式中，Sv为设计基准面速度反应谱;Ts为考虑土层地震应变水平的场地特征周期;H为地表至设计基准面的距离。

3.4.2 结构惯性力

结构惯性力指地下结构因自身质量在地震时产生的惯性力，等于结构重量乘以设计水平地震影响系数α。而设计水平地震影响系数可通过最大水平地震影响系数经地基、埋深等修正后得到。

3.4.3 结构周围剪力作用

对式(7)求导并乘以土层的动剪切模量，就得到了结构周围剪力，即

式中，τ为距地表面深度为z处的周边剪力;Gd为土层的动剪切模量，可根据土体密度和土层剪切波波速求得。

3.4.4 计算结果

下面根据华强北站所处场地的工程地质条件计算有关参数。侧壁压缩地基弹簧刚度kh=3×107N/m3，顶板剪切地基弹簧刚度系数ksv=1×107N/m3，设计基准面速度反应谱Sv=0.18 m/s，场地特征周期Ts=0.437 5 s，设计基准面H=22 m，设计水平地震影响系数α=0.068，动剪切模量Gd=37.3 MPa。

在地铁车站抗震设计荷载组合方面，采用现行建筑抗震设计规范。但对一些地下结构特有荷载，如地面车辆超载等可变作用，分项系数取1.0，结构重要性系数取1.0，通过有限元计算，其弯矩见图6。

图6 地震组合弯矩图

从以上计算结果可以发现，地震状况的计算弯矩具有明显不同于上述其他设计状况的特点，在侧墙和顶板的节点处，在负一层侧墙的跨中以及侧墙与中板的节点处均出现了比上述其他设计状况更大的弯矩。通过轴力分析还可以发现，地震作用时顶板、中板的轴力大幅度增加，此时应进行偏心受压构件的验算。

4 结语

笔者从基础性规范和标准出发，讨论了地铁车站结构设计时需要考虑的几种设计状况，详细分析了各作用组合的分项系数取值，力求做到有据可依。本文结合深圳地铁2号线华强北站这一工程实例，对各设计工况进行了计算，结果表明:①在持久设计状况下，重力占主导或水浮力占主导这两种受力模式会对结构内力产生显著影响，而水位的变化也会对某些截面产生影响，结构配筋时应采用上述几种工况的包络图进行;②人防设计状况对地下车站横截面受力不起控制作用，但需注意人防动荷载的特殊性并满足一定的构造要求;③地震设计状况会对结构的很多节点受力产生影响，同时会增加某些构件的轴力，因此需验算结构配筋是否满足，并采取相应的抗震构造措施。

［1］乔海超，李晓昭，赵晓豹.浅埋地铁车站结构内力影响因素分析［J］.城市轨道交通研究，2008(4):18:

［2］陈冬，王琪.地铁车站结构设计合理性分析［J］.工程建设与设计，2007(5):52:

［3］王元湘.明挖结构使用阶段的受力分析［J］.都市快轨交通，2006，19(3):49:

［4］GB 50153—2008工程结构可靠性设计统一标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［5］GB 50157—2003地铁设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［6］DGJ 08—109—2004 城市轨道交通设计规范［S］.上海:2004.

［7］GB 50009—2001建筑结构荷载规范［S］.2006版.北京:中国建筑工业出版社，2006:6-9.

［8］RFJ 02—2009轨道交通工程人民防空设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2009.

［9］黄先锋.地下结构的抗震计算——位移响应法［J］.铁道建筑，1999(6):3-6.

［10］晏启祥，马婷婷，吴林，等.反应位移法在盾构隧道横向抗震分析中的应用［J］.铁道建筑，2010(9):48-51.

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

作者简介:罗旭，男，助理工程师，从事城市轨道交通结构设计工作，luolicn2003@yahoo.com.cn

(编辑:郝京红)