浅谈地铁结构设计中的若干问题

方文

【摘要】随着我国社会主义现代化进程的不断加快，人民的生活水平不断提高，各城市面临的交通压力也与日俱增，这些压力有力的促进了地铁轨道交通建设的快速发展。但是在发展的同时却不可避免的出现了很多问题。本文笔者结合多年的实际工作经验，系统的分析了日常工作中遇到的一些问题。

【关键词】地铁结构设计；结构计算；抗震分析；耐久性；

一、前言

地铁优点有速度快、运载能力强、污染小、空间利用率高等，因此对于城市交通有着越来越重要的地位。在大城市中地铁是解决城市交通问题的首选手段，现在北京、上海、广州、深圳、南京、合肥等城市都在大量修建地铁。但是地铁结构设计较复杂，不仅跟地层环境有着很大关系，还和地上建筑、地下管线、地面交通息息相关。怎样才能设计稳定性、刚度、耐久性、抗浮性、抗裂性强的地铁结构对结构设计师的要求非常高。和施工技术、设计方案息息相关。

地铁结构和一般建筑结构要求不同，它要求具有更高的安全性，因为投资规模大、地域性强、涉及专业面广、参与部门众多、工期长等特点，结构设计要在充分研究和讨论下进行。地铁结构设计要根据运行要求、地面环境、地质条件、技术经济指标等多项条件设计合理的形式和施工方法。在方案设计中最好准备多个方案，针对各种结构方案对工程费用、施工便捷度，对不同的方案进行比较，选择合适合理的结构方案。

二、结构计算模式

1 地铁站的结构形式

由于使用功能的要求，大多地铁站设计成沿横向2～4跨、纵向为多跨的长条结构，结构总宽度为20～30m，总长度为170～220m，沿高度大多分2～3层，结构内部只设纵梁不设横梁，其结构形式可定义为箱形框架结构。为不影响城市地下管网的敷设，地铁站的上部往往有较厚的覆土（一般大于3m），这样结构的基坑深度一般可达15～20m，为抵抗水土压力、车辆荷载以及特殊荷载，结构的顶板、底板、边墙往往较厚（一般为0.6～1.0m），顶梁、底梁的截面高度也很大（一般为1.6～2.2m），中间的楼板由于要承受较大的设备荷载、人群荷载及装修荷载，其厚度也比一般的楼板厚许多（一般为0.3～0.5m），这就形成一座有巨大刚度的地下长条结构。

2目前采用的设计理念

地鐵结构计算都是根据力学模型建立起来的。主要是板单元、梁单元和板梁共同体受力问题。在进行结构计算时要把握好各个因素的作用，选择合理的计算方式。

（1）横断面计算法。沿车站纵向截取单位长度的横断面结构，将墙、板假设成单位长度的梁单元，将框架柱按刚度或面积换算成单位长度的厚度，底板与地基间采用弹性假定，用竖向基床系数与底板单元长度的积作为地基弹簧刚度，用荷载一结构模型按有限元法进行内力计算，根据不同的荷载组合得到结构的内力包络图。对于纵梁，则是根据通常的板梁传力方式，由板传给梁形成梁的荷载，柱作为梁的指点，根据多跨连续梁结构进行梁的内力计算。

（2）空间梁系计算方法。用梁单元代替板和墙，并与实际的梁、柱结构组成梁单元体系，荷载作用于节点上，用有限元法对整体结构体系进行内力计算分析。

（3）空间板系计算法。按照空间体系将结构进行网格划分，将板、墙、梁、柱按照各自的结构尺寸，采用四节点或八节点等参元划分成板单元，用有限元法进行结构内力计算。

（4）空间梁板系计算法。将板、墙按照各自的厚度，采用四节点或八节点等参元划分成板单元，梁柱依然采用梁单元框架体系，用混合元结构进行结构内力计算分析。

三、 地铁结构设计中的若干问题

1 地铁结构抗震分析

我国是多震国家，很多大城市都位于八度高烈度地震区，但是在地铁结构抗震方面的研究和设计方法还不够完善，没有制定相应的地下结构抗震规范。地震容易造成地铁车站中柱折断、混凝土脱落、钢筋暴露、顶板塌陷等严重危害，对整个城市交通都造成严重影响。所以合理的地铁结构抗震模式和抗震性能的深入研究有着重要意义。地铁结构抗震计算方法采用的静力理论，这一理论没有考虑到地震作用和结构自振特性之间的密切关系，不能满足地下工程发展的需要。在1941年线性反应谱理论是目前各国普遍采用的一种抗震计算。后来利用类比速度、加速度谱法进行抗震计算。动力时程分析是评估地铁结构承载极限状态和常规抗震设计的一种可靠分析手段。它能计算地震反应过程中各时刻结构的内力和变形状态，发现应力和塑性变形集中的地方，从而判断出结构的薄弱环节。这种方式计算结果很容易受到地震波选取的影响，再加上计算量大，因而难以普遍应用于常规抗震计算。目前研究地铁结构抗震性能主要有原型观测、模型试验、数值模拟。但是不管哪种方式到还未能完全对地下结构动力反应进行全面而真实的解释或者模拟。

地铁抗震设计的结构构件抗震措施至今为止还没有一个标准统一。但是在设计过程中还是需要根据不同的围岩条件、施工方法、结构受力特点、地震破坏特点等采取有针对性的抗震措施。提高罕遇地震结构整体抗震能力、保证实现预期防设目标、延迟结构破坏、改善薄弱部件的受力、提高结构构件延性耗能能力等。

2耐久性

地铁功能使用特殊、使用年限长，所以在设计的过程中对耐久性提出了更高的要求。地铁结构通常在地下几米至二十米，受地下围岩环境、二氧化碳、有害离子、杂质散电流的影响大。地铁结构的耐久性与四个方面有关：一是环境因子，地下环境的温度、湿度、二氧化碳、地下水、特殊离子等；二是材料因素，混凝土水灰配比度，骨料、水泥种类；三是结构力学因子，土体流变、裂缝、偏移沉降等；四是施工因子，混凝土浇筑、混凝土振捣、支护模式、质量管理等。

地铁结构设计要重视变形缝设计，特别是软土地上的结构，更要慎重对待变形缝。除了变形缝，在结构设计中还要加强对工程的高性能混凝土进行研究，加强力学作用对于钢筋破坏的研究，提高地铁混凝土结构的耐久性。

3“参数法”绘图

地铁结构设计地域性较强、技术较复杂，而且行业规范和标准较少。所以在绘图过程中表达结构类型表达的方式和标准化有很大差别。“参数法”绘图能根据结构尺寸和相关已知条件查到配筋、尺寸、数量等参数，在图纸审核中只要对计算流程、计算思路进行审查就能达到复核目的。这种绘图方式能够减少图纸数量，还能在施工过程中迅速找到相关技术数据。

4 防水设计

防水材料品种不要太多，防水性能要进行论证，便于维修管理。重视变形缝的防水节点构造措施。结构防水设计应做专题研究讨论。避免工程变形缝、施工缝在夏季多雨季节渗漏；变形缝钢板排水槽翘起、变形缝周边砼拉裂现象；应重视仰拱、底板变形缝和施工缝防水设计与施工，防止道床变形缝、施工缝渗漏水，妥善处理设计与工程接口问题。

5 结构设计软件

APM的三维图形功能是专门针对建筑设计特点开发的，在Windows环境下即可运行。不用Auto CAD，APM本身即可快捷的完成建模和施工图，不用3DMAX亦可完成渲染与动画，从而省去用户再购买和学习配套国外软件的财力与精力的负担。

四、总结

结构设计要因地制宜，根据城市具体情况而定。结构设计中结构尺寸大小、荷载组合选择、都要在日常生活中进行积累和总结。提高实战经验，减少犯错误的机会。

参考文献

[1].周作顺，王焰华.浅谈地铁结构设计中的若干问题[J].建筑知识.2013（B03）.

[2].吴佳祯.浅谈南京地铁二号线东延线高架车站结构设计[J].江苏建筑.2012（04）.