地铁车站重合结构模型计算探究

韩 宁 朱启东

(1.陕西省建筑材料工业学校，陕西 西安 710061； 2.中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

地铁车站重合结构模型计算探究

韩 宁1朱启东2

(1.陕西省建筑材料工业学校，陕西 西安 710061； 2.中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

根据地铁车站重合结构模型受力特点，结合西安地区黄土地层条件下地铁工程设计实例，分别对施工阶段和正常使用阶段最不利荷载工况条件下车站主体结构的内力进行了研究，主要以弯矩为例对各不利工况下内力变化规律进行了分析总结，最后对围护结构参与主体结构计算时的贡献程度作了比较分析，可供类似工程参考。

地铁车站，重合结构模型，荷载工况，内力，贡献度

目前，在西安地区黄土地层中，围护桩与车站主体结构形成的重合结构是地铁工程主要采用的结构形式。通常地铁车站的标准段计算就选用杆系平面模型，地下结构应按施工阶段和正常使用阶段的最不利荷载工况组合分别进行结构强度、刚度和稳定性计算。本文主要对地铁车站重合结构各种最不利荷载工况计算进行了研究，并对有无围护桩条件下主体结构计算模型进行了分析研究。

1 平面杆系模型介绍

在地铁车站结构静力计算时，对于地下车站结构沿纵向质量及刚度分布均匀，并且边界条件规律、均匀分布情况下，通常对于这样的标准段计算我们可选用平面杆系模型。平面杆系模型是将地铁车站标准段沿纵向截取单位长度来建立荷载—结构计算模型，板、柱、墙由梁单元来模拟，弹簧单元模拟土体，内力计算是按有限元法进行，最终结构内力包络图可根据不同工况下的荷载组合得到。

实际工程中，主体结构与围护结构之间通常会存在防水层，防水材料将两结构隔开，这样拉力、剪力都无法在两结构间传递，只会传递压力。因此，重合结构计算模型的围护结构与外墙之间由两端铰接连杆模拟，只传递压力，不能传递弯矩和剪力。

2 静力计算的最不利荷载工况

通常地铁车站结构应按施工阶段和正常使用阶段的最不利荷载工况组合分别进行结构强度、刚度和稳定性计算。因此，下面分别介绍两个工况下的最不利组合。

2.1 施工阶段工况

在西安地铁施工中通常会选用钻孔灌注桩配合地面旋喷桩这样的支护形式隔断基坑内外水力联系，坑内降水措施来减少对周边环境的影响。

在地铁车站施工阶段，当主体结构浇筑完毕顶板覆土，此时由于底板降水还未停止，地下水位还没有恢复到自然水头，此种情况下定义为施工阶段工况。外荷载包括水土侧压力(作用于围护桩外侧)、结构及覆土自重、超载、底板下土体竖向抗力，不考虑底板水反力。施工阶段工况分为低水位和高水位两种工况(见图1)。

2.2 使用阶段工况

随着车站投入正常运营，地面道路恢复，车站底板降水的停止，基坑内水头恢复，此种情况下定义为使用阶段工况。外荷载包括水土侧压力(土压力作用于围护桩外侧，水压力作用于车站侧墙)、结构及覆土自重、底板下作用水反力，同时考虑地面超载和楼板活载。使用阶段工况也可分为低水位和高水位两种工况(见图2)。

3 工程实例

现以西安地铁三号线延兴门站为例进行建模计算，该站为标准地下2层车站，施工阶段采用钻孔灌注桩配合地面旋喷桩的支护形式坑内降水，标准段宽20.0 m，围护桩直径为1 200@1 500 mm，顶板厚800 mm，中板厚400 mm，底板厚900 mm，侧墙厚700 mm(见图3)。

由延兴门站详勘报告知，低水位取地面以下4.5 m，高水位按抗浮水位考虑，取至地面。计算中地层物性参数取值参考表1。

考虑到篇幅问题，各工况内力计算结果就不一一列举，仅列举施工阶段工况和使用阶段工况下弯矩、轴力计算结果，来说明车站主体结构的荷载效应情况。车站平面杆系模型弯矩计算结果示意图如图4所示，各工况下弯矩计算值见表2，各工况下的中间立柱轴力见表3。

表1 地层土性参数表

表2 各荷载工况下的弯矩值 kN·m

表3 各工况下的中间立柱轴力 kN

由表2，表3可知:1)本车站施工阶段低水位工况下对顶板跨中、中板跨中和底板中支座的弯矩起控制作用。2)本车站使用阶段低水位工况下，对主体结构弯矩不起控制作用。3)使用阶段高水位工况控制中间立柱的最大轴力。

4 围护结构贡献度研究

现今，地铁车站主体结构耐久性设计是符合结构设计使用年限为100年的要求，而围护桩是作为基坑支护设计时的临时结构考虑。因此，在建模计算时为了保守起见，通常可不考虑围护结构，侧向的水、土压力全部由主体结构侧墙承担。那么，考虑围护结构计算模型和不考虑模型主体结构内力到底有何区别，围护结构对主体结构内力有多少贡献，针对上述两种情况，同样以弯矩计算结果为例，说明主体结构计算时，两种情况下的荷载效应情况，如表4所示。

表4 主体结构截面弯矩值

由表4可见，在考虑和不考虑围护结构两种计算模型情况下，围护桩对主体结构右侧墙顶支座A1、右侧墙底支座C1弯矩计算值贡献度分别仅为0.7%和3.9%，可见对弯矩值影响很小，可忽略不计；而对主体结构右侧墙中支座B1、右下二层侧墙跨中D2弯矩计算值贡献度分别为18.5%和18.2%，可见对此位置弯矩值影响很大。由表4中两种计算模型下的弯矩值可见，其弯矩值差的绝对值是在100 kN·m以内的，相对于我们地下车站较厚的侧墙(700 mm～800 mm)来说变化影响较小，所以对实际的配筋计算影响也不甚明显。因此，模型计算时考虑围护桩与否对主体结构内力值有影响，围护桩对侧墙中支座及侧墙跨中弯矩值的贡献度较大，但两种模型内力计算结果对实际配筋影响不明显。同时，建议在以后设计中，将围护结构作为永久结构考虑，耐久性设计时可通过提高围护结构混凝土标号来实现，这样我们选择考虑围护结构计算模型是较为合理经济的，也使我们的计算模型能够和现实情况较好的统一。

5 结语

地铁车站重合结构最不利工况的计算分析是确保车站结构设计安全可靠和经济合理的必要条件，因此车站结构计算时最不利荷载工况的正确选取至关重要。本文结合西安地铁工程实例，对地铁车站重合结构施工、使用期间的各种不利荷载工况计算进行了分析，同时对考虑围护结构与否两种模型计算结果进行了比较分析，提出了围护结构参与计算时对内力的贡献程度，旨在使此类结构设计分析更加合理、经济、可靠。

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The computation discussion on metro station coincidence structure model

Han Ning1Zhu Qidong2

(1.ShaanxiBuildingMaterialsIndustrySchool,Xi’an710061,China;2.ChinaRailwayXi’anSurveyandDesignInstituteLimitedLiabilityCompany,Xi’an710054,China)

According to the stress characteristics of metro station coincidence structure model, combining with the subway engineering design example in Xi’an area under loess strata conditions, respectively researched the station main structure internal force under most unfavorable load working conditions to construction stage and normal use stage, mainly taking the bending moment as an example analyzed and summarized the internal force variation rule under unfavorable working conditions, finally compared and analyzed the contribution degree of envelop enclosure involved in main structure calculation, provided reference for similar engineering.

metro station, coincidence structure model, load working condition, internal force, contribution degree

2015-01-09

韩 宁(1984- )，女，硕士，助教； 朱启东(1983- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2015)08-0063-02

U291

A