明挖地铁车站主体结构最不利设计水位分析

刘小俊，蒋雅君，马鹏远，李　彬，岳　岭

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都　610031；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

明挖地铁车站主体结构最不利设计水位分析

刘小俊1，蒋雅君1，马鹏远2，李彬1，岳岭2

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都610031；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

我国华南、华东、华中地区及沿海城市地下水丰富，地下水压力是影响地铁车站主体结构受力的重要因素，随着水头高度的变化结构受力会随之发生改变。为了研究不同的水位对车站主体结构受力的影响，结合众多地下水丰富的地铁工程实例，选取多种水位进行数值模拟计算，结果表明：影响顶板、中板、底板及侧墙的最不利水位并不是统一的水位。为了方便设计，通过将众多正常使用中的地铁车站结构受力情况对比分析，认为：选取工程场地内最高水位进行车站结构受力计算，然后对部分构件配筋面积进行调整，能够满足车站结构安全的要求。

地铁车站；明挖法；最不利水位；内力分析

1　概述

随着我国经济的大力发展，城市化进程的加快，城市人口日渐增多，同时也带来了诸多的城市问题，如交通拥挤、噪声污染等。为了能够有效地解决这些问题，我国加快了城市基础设施的建设，其中地铁已经成为各大城市主要的交通形式之一[1，2]。在地铁的建设中，确保车站结构安全可靠至关重要。我国华南、华东、华中地区及沿海城市地下水丰富，水位较高，一般位于中板以上，地下水压力是影响地铁车站主体结构受力的重要因素，并随着水头高度的变化结构受力会随之发生改变。因此确定工程建设及使用过程中影响结构最不利的水头高度是非常重要的问题。

《地铁设计规范》(GB 50157—2013)规定：按照可能发生的地下水最高水位和最低水位两种情况，计算水压力和浮力对结构的作用[3]。我国大多数地铁车站设计中直接把最高水位当作最不利水位进行结构计算，但这种设计理念存在一定的问题。水位越高，结构所受的轴力和弯矩越大，但并不一定受力最不利。对钢筋混凝土偏心受压构件来讲，是由轴力和弯矩的组合来确定结构的最不利程度。

通过有限元计算不同水位情况下车站主体结构的内力，并分析受力及配筋情况，研究地铁车站的最不利水位，为地铁车站设计中水位的选取及如何配筋提供一些可行的建议。

2　工程概述

依托某明挖地下三层车站。该车站围护结构采用复合式地下连续墙，车站标准段宽度为15.9 m，高度21.34 m，纵向柱跨9 m，横向柱跨8 m，顶板、负二层楼板、侧墙厚800 mm，负一层楼板厚400 mm，底板厚1 100 mm，柱尺寸为800 mm×1 200 mm。车站覆土计算深度为3.9 m，地勘常水位于地下3 m处。结构形式如图1所示，土层参数如表1所示。

图1　结构断面(单位：mm)

地层层厚/m天然重度/(kN/m3)饱和重度/(kN/m3)侧压力系数渗透系数/(m/d)填土2.718.020.10.435.00粉质黏土6.418.719.530.350.01黏土7.219.420.740.330.01强风化岩7.020.821.260.302.50中风化岩12.525.525.500.221.50

本场地的地下水按赋存条件主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水。孔隙水主要赋存在表层人工填土层，冲洪积层和残积砂质黏性土层中，略具承压性，基岩裂隙水赋存于强风化及中等风化岩中，具承压性。采用了5种不同的水位进行计算，水头高度如表2所示(水位编号5表示最低水位)。

表2　水头高度

3　数值计算

采用ANSYS有限元软件[4，5]分析不同的水位下结构受力情况，以此来分析水位对车站结构的影响。

3.1建立模型

地铁车站一般为长通道结构，其横向尺寸远小于纵向尺寸，因此将其简化为平面问题求解[6]。将组合成结构的各段梁柱分成梁单元，各单元之间以节点相连，单元长度纵向取1 m计算(即采用等效刚度法)。围护结构与主体地下结构采用复合墙相结合的形式[7]，车站的顶板、中板、底板、中柱及侧墙均采用梁单元进行模拟。采用弹簧单元模拟地层与结构的相互约束(杀死受拉弹簧)，围护结构与侧墙的作用采用Link10单元(只受压)模拟，弹性模量数量级取1015～1017时能较好地保证围护结构与主体结构变形的协调和连续性[8]。围护结构底端采用铰支座进行约束，同时考虑到地下水对结构的浮力，抗浮措施采用抗拔桩，把其底端的水平、竖向位移约束住。

将地层对结构的作用转化成荷载，采用荷载-结构模型计算，并把围护结构的刚度折减70%[8]，按长期使用工况(水土分算、土压力作用在围护结构上、水压力作用在主体结构侧墙上)，土压力按静止土压力计算，水压力按静水压力计算[8]。计算模型如图2所示。

图2　计算模型

3.2荷载计算及组合

结构所承受荷载包括永久荷载、可变荷载，结构计算中选取的荷载种类见表3。根据《建筑结构荷载规范》3.2.2条，承载能力极限状态应按效应的基本组合或偶然组合(此处仅考虑基本组合情况)进行荷载组合[9]，组合系数见表4。

表3　荷载种类

表4　荷载组合系数

3.3提取内力

根据5种不同水位计算的荷载进行加载计算，并提取不利截面处的内力值。横断面的不利截面选取如图3所示。

图3　不利截面的选取位置

4　计算结果及分析

4.1提取内力结果

对5种不同水位情况下的计算结果进行比较，分别提取出侧墙、顶板、中一层板、中二层板及底板的最大剪力、轴力及弯矩，如图4～图6所示。

图4　各板最大剪力随水头高度的变化

从图4可以看出，随着水位的降低，结构所受的最大剪力减小，底板和侧墙尤为明显。因此应按最高水位计算结构的剪力，按其进行抗剪配筋计算以保证结构抗剪的安全性。

图5　各板最大轴力随水头高度的变化

图6　各板最大弯矩随水头高度的变化

根据各层板跨中部位的受力情况进行分析计算，采用最小配筋率配筋均可满足要求，因此本文不再研究各层板跨中的受力情况。

从图5、图6可以看出，除了中二层板的弯矩随着水位的降低先减小后增大之外，其他各层板的轴力、弯矩均随着水位的降低而减小。虽然从图4、图5中可以看出，轴力、弯矩基本是随水位的降低而减小，但混凝土偏心受压构件正截面承载力是由弯矩和轴力的组合而确定，并不是结构所受的弯矩和轴力最大，结构就最不利。

4.2偏心受压构件正截面承载能力分析

偏心受压构件是弯矩和轴力共同作用的构件，轴力与弯矩对于构件的作用效应存在着叠加和制约的关系，即当给定轴力N时，有其唯一对应的弯矩M组合下达到其极限承载能力。

对于偏心受压短柱、长柱，由其截面承载力的计算分析可以得到图7所示的偏心受压构件M-N相关曲线图。ab段表示大偏心受压时的M-N相关曲线，为二次抛物线。随着轴向力N的增大，截面能承担的弯矩也相应提高。

b点为钢筋与受压混凝土同时达到其强度极限值的界限状态。此时偏心受压构件的弯矩M最大。

cb段表示小偏心受压的M-N相关曲线，是一条接近于直线的二次函数曲线。由曲线走向可以看出，在小偏心受压情况下，随着轴向力的增大，截面所能承受的弯矩反而降低。

在图7中，c点表示轴心受压的情况，a点表示受弯构件的情况。图中曲线上的任一点d的坐标就代表截面强度的一种M和N的组合。若任意点d位于曲线abc的内侧，说明截面在该点坐标给出的M和N的组合未达到承载能力极限状态；若d点位于图中曲线abc的外侧，则表明截面的承载能力不足[10]。

图7　偏心受压构件的M-N曲线

采用最高水位计算的轴力、弯矩进行正截面配筋，并绘出每个板的承载能力M-N相关曲线图。根据M-N相关曲线图计算在其他水位情况下的弯矩极限承载力，如图8所示。

图8　各层板的弯矩承载力

4.3各层板的不利水位分析

通过计算得出顶板、中板、底板及侧墙的安全储备系数随水位的变化，如图9所示。

图9　安全储备系数

从图9可以看出每层板的最不利水位，具体如表5所示。

表5　每层板的最不利水位

由于水对结构的浮力直接作用在底板上，底板的受力受水位的影响比其他部位特殊，因此需单独分析。从图8中可以看出最高和最低水位时，底板的安全储备系数都比较小，底板受力处于不利状态。通过数值计算，可以得到最高和最低水位下底板所受的弯矩，如图10、图11所示。

图10　最高水位弯矩(单位：N·m)

图11　最低水位弯矩(单位：N·m)

从图10、图11可以看出，水位最高和最低时，底板所受弯矩的作用方向已经发生很大的变化，即最高水位和最低水位下，底板的受拉压区域已经明显不同。因此最高水位和最低水位都是底板的不利水位。

从配筋的角度出发，分析不利水位。根据不同水位下计算的轴力、弯矩进行正截面配筋计算[11，12]，结果见表6。

表6　配筋情况

根据不同水位计算的配筋量，也可对最不利水位进行一定的判断，这与安全储备系数法得到的结论基本一致。但中二层板在各种水位下用最小配筋率配筋均可满足要求，所以根据配筋结果无法得到中二层板的最不利水位。

4.4主体结构的最不利水位分析

本文通过数值模拟计算不同水位下明挖地铁车站主体结构的受力，采用安全储备系数及配筋法分析得出了顶板、中间板、底板及侧墙的最不利水位，发现并不是统一的水位。每一种结构的最不利水位见表7。

表7　每层板的最不利水位

由表7可以得出，不同的结构部位对应着不同的最不利水位，因此并非水位最高时，结构的受力最不利。如果直接选取最高水位进行结构受力及配筋计算，会造成主体结构的部分结构部位不安全。

《地铁设计规范》(GB 50157—2013)规定按照可能发生的地下水最高水位和最低水位两种情况，计算水压力和浮力对结构的作用。规范中仅考虑了最高及最低两种水位对结构的影响，并不能完全反应水位对结构的影响。

但是如果设计人员分别选取每层板的最不利水位进行计算，将会带来很大的不便。因此从设计者的角度出发，需确定一个对整体结构最不利的水位进行计算。根据表6及表7对各层板最不利水位的分析结果，可以把最高水位当作整体结构的最不利水位进行配筋计算，然后再把配筋量做相应的调整作为最终配筋结果。这样既可以保证结构的受力安全又可以提高设计者的计算效率。根据表6的配筋计算结果，结构的底板按最高水位计算出受拉侧钢筋面积，并且受压侧的钢筋面积取与受拉侧相等；中间层板按最高水位计算出配筋以后，将受拉侧钢筋面积乘以1.5系数，受压侧不需调整；侧墙及顶板按最高水位计算进行配筋，以此作为最终计算配筋结果。

5　结论

本文通过对不同水位下明挖地铁车站主体结构的受力分析，得出了顶板、中间板、底板及侧墙的最不利水位并不是统一的水位。但是为了提高设计者的工作效率，提出明挖地铁车站整体结构的最不利计算水位，即最高水位。

(1)根据最高水位计算结构各层板的剪力，进行抗剪配筋计算。

(2)顶板、侧墙直接根据最高水位计算轴力和弯矩，进行正截面承载配筋计算。

(3)底板根据最高水位计算受拉侧钢筋面积，并且受压侧的钢筋面积取与受拉侧相等进行配筋。

(4)中间层板根据最高水位计算出配筋，将受拉侧钢筋面积乘以1.5系数，受压侧不需调整，以此作为最终计算配筋结果。

根据本文得出的结论进行车站设计计算，既能提高设计者的效率又能保证结构的安全，希望能够对明挖地铁车站最不利水位的选取提供参考；同时本文也存在不足之处，本文采用平面等效刚度简化计算，虽然这种方法目前得到了广泛应用，但问题存在于：将纵梁和板、柱分离开进行计算，使整个结构的变形协调条件得不到满足，导致板、纵梁内力与实际有所不符[13-15]。

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Analysis of Most Unfavorable Design Water Level of Open-and-cut Metro Station Main Structure

LIU Xiao-jun1， JIANG Ya-jun1， MA Peng-yuan2， LI Bin1， YUE Ling2

(1.Key Laboratory of Southwest Jiaotong University Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education，Chengdu 610031, China; 2.China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd， Beijing 100055, China)

In Southern China， East China， Central China and coastal cities， groundwater pressure is an important factor affecting the main structure of the subway station. With the change of the water head height， the structure stress is also changed. In order to study the effect of different level on the station main body structure， this article， with reference to variety of water-rich metro engineering cases， selects different water level many for numerical simulation and calculation. The results show that the most unfavorable water level affecting the top plate， the middle plate， the bottom plate and the side wall is not uniform. In order to facilitate the design， the article， based on the stress analysis of a large number of subway station structures in normal service， concludes that the highest level of the station structure is selected to calculate structure stress， and then adjust the area of reinforcement of partial components so as to meet the requirements for the safety of station structures.

Metro station; Cut and cover method; Most unfavorable water level; Internal force analysis

2016-01-04；

2016-02-27

中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU11ZT33)，中央高校基本科研业务费专项资金资助(2682014CX065)

刘小俊(1990—)，男，硕士研究生，E-mail：15680757153@163.com。

1004-2954(2016)09-0113-05

U231+.4

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.025