非对称边界无柱大跨地铁车站受力分析

高 伟 黄小平 戴长胜

1. 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092；

2. 上海申通地铁集团有限公司 上海 201103；

3. 上海轨道交通十五号线发展有限公司 上海 200231

相较于传统地铁车站，无柱大跨车站具有空间通透、视野开阔、客流顺畅等优点，目前已在上海、广州、深圳等多地得以实践。林伟波[1]针对顶板加腋式无柱大跨地铁车站进行静动力性能研究。何旭升等[2]、杨磊等[3]以南宁某无柱大跨变截面地铁车站为例，结合振动台试验结果进行车站结构静动力特性分析。宁子健[4]运用三维有限元软件对广州某地下4层无柱大跨变截面地铁车站进行动力时程分析。杨成蛟等[5-6]分别针对11、12 m宽岛式站台明挖无柱拱形地铁车站的整体设计进行了详尽论述。以上工程地铁车站两侧均为迎土对称边界，车站水平受力对称。上海轨交15号线新建上海南站站一侧结合下沉式广场设计，其标准断面为一侧迎土、一侧敞开的非对称边界。本文针对此类非对称边界地铁车站，对在不同覆土条件下的车站结构受力特性进行分析，并验算地震作用下车站的结构安全性。

1 工程概况

上海轨交15号线上海南站站位于沪闵路和柳州路交叉口徐汇万科中心地块内，沿柳州路东侧南北向布置，北端紧邻沪闵路（图1）。车站为地下3层岛式车站，车站外包总长度169 m，标准段外包宽度26.4～27.2 m，标准段深度约25.2 m。

图1 轨交15号线上海南站站平面

车站与已建的万科中心三期项目共墙，开发项目地下3层，深度约15.2 m，钢筋混凝土框架结构，钻孔灌注桩基础；邻近地铁侧为万科下沉式广场，开挖深度约11 m。

作为铁路换乘进入上海的标志性车站，车站设计之初就致力于打造成为轨交15号线最美车站之一，同时考虑到车站大客流因素，车站站厅层采用无柱方案。通过顶层设大跨拱梁和拱板，给乘客提供一个高达8.52 m、宽度23.5 m的宽敞明亮的空间和环境（图2）。

图2 站厅层建筑效果

2 车站结构设计

通常情况下，为预留车站建成后顶部远期重力流管道路由，车站覆土一般为3 m，但对于无柱大跨车站，过大的覆土荷载会导致拱顶及侧墙弯矩急剧增大，造成结构设计困难。本工程车站位于地块内，车站平面范围内无大直径管线分布，因此车站埋深不受管线制约，可以在受力合理范围内尽量浅埋。同时，为满足区间下穿既有隧道要求，本站设置为地下3层站。此外，本车站结合地块下沉式广场开发统筹考虑，车站站厅层近下沉式广场侧为大开口结构，另一侧为常规迎土侧，车站水平向承受非对称荷载。

基于以上条件，初步拟定车站横断面形式为：车站采用3层，顶层为无柱大跨拱形，设备层及站台层为两柱三跨，纵向间距9 m设置拱形肋梁及中柱、边柱，中柱两侧纵向设2排抗拔桩，侧墙采用叠合墙（图3）。

图3 车站标准段横断面

本文利用SAP2000软件建模计算，取柱跨板宽，按平面框架有限元计算，将底板下土体作用按一系列仅承受压力、不能承受拉力的土弹簧进行模拟，分别考虑车站结构承受向下荷载和向上荷载2种最不利工况进行计算，根据计算内力包络图进行板和侧墙的配筋。验算结构裂缝宽度时，取弯矩计算结果标准值。其中，向下荷载最不利工况为假定车站底板泄水孔仍然使用，底板不受水浮力；向上荷载最不利工况为底板泄水孔封闭，车站尚未装修，未承受任何活载，底板承受最高水位浮力。车站计算荷载简图如图4所示。

图4 车站计算荷载简图

2.1 底板受力分析

车站底板埋深25 m，地下水位为地面下0.5 m，车站底板承受水反力较大，因此对于空间要求不高的设备层与站台层可设置双排柱。由于顶层未设置中柱，底板水反力无法由中柱传递至顶板，且顶板覆土压重也较小，因此在不设置抗拔桩时，底板弯矩最大值可达45 500 kN·m，故本工程于中柱两侧纵向间距3 m设置2排抗拔桩，使底板最大弯矩减小至4 890 kN·m。

2.2 顶板、侧墙受力分析

上节计算结果表明，由于车站邻近下沉式广场侧无水土荷载，车站侧墙受力两侧不对称，站厅层邻近下沉式广场侧弯矩值更大，且对应设备层侧墙弯矩明显大于迎土侧侧墙弯矩，弯矩传递至站台层时，车站两侧弯矩相对对称，非对称边界影响可忽略。

此外，无柱大跨拱形车站结构顶板由于跨度较大，承受较大覆土压力，顶板跨中及支座处弯矩较为显著，保持车站跨度不变，通过计算对比不同覆土情况下车站顶板及侧墙最大弯矩，分析结果如图5所示。

图5 最小覆土与顶板、侧墙弯矩关系

从图5可见，随着覆土厚度的增加，顶板跨中弯矩接近线性增大，但侧墙最大弯矩增幅相对较缓，因为顶板两侧支撑条件稳定，跨中弯矩随荷载线性变化，侧墙部分弯矩传递至中板及下一层墙体，增幅相对较平缓。

2.3 站厅层中板受力分析

通过计算，不同覆土条件与站厅层中板轴力关系见图6。从图6中可见，站厅层中板轴力随着不同覆土变化较大。在荷载向下最不利组合的情况下，即车站底板泄水孔未封闭，车站回筑完成时，随着覆土增大，侧墙高度减小，站厅层中板轴力由压力逐渐转变成拉力，当最小覆土由0.8 m增加至2.3 m时，站厅层中板轴力恰好为0，随着最小覆土的进一步增大，中板存在受拉工况，板的受力状态由压弯构件转化为拉弯构件，对结构受力不利。因此，在设计时应选取合适的覆土，避免中板出现受拉工况。

图6 最小覆土与中板轴力关系

2.4 结构变形分析

经验算，拱形梁跨中竖向最大位移为27.8 mm，挠度比为1/911，满足GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》受弯构件挠跨比限值1/300的要求。

3 车站抗震性能分析

为了验算车站结构在地震作用下的结构受力性能，采用时程分析法进行车站结构抗震计算。抗震计算时采用Midas GTS-NX软件，建模纵向长度选取车站纵向标准柱跨，横向宽度两边分别外扩3倍车站宽度，模型深度为70 m，侧面边界采用自由场边界，底部为固定边界并作为地震动输入端。模型计算地震波入射平面垂直于车站纵向轴线，不考虑斜入射影响及行波效应。地震波采用E2地震作用未来50年超越概率10%时的地震波，地震持续时间为结构基本周期的5～10倍，计算采用Rayleigh阻尼，有限元计算模型见图7。

图7 抗震时程分析计算模型

静力荷载及地震偶然组合下的车站结构内力见图8。从图8中可看出，地震工况下：车站站台层中柱与楼板交点应力显著增大，这与日本1995年阪神大地震所致地铁车站震害规律一致[7]。此外，由于站厅层左右边界的不对称性，迎土侧土压力在水平地震作用下导致开洞侧侧墙与顶板交点应力较大。因此，结构设计时对站厅层开洞侧侧墙与顶板交点设置加强纵梁，对中柱与楼板衔接处节点配筋予以加强。

图8 静力与地震作用下车站应力

4 结语

1）无柱大跨车站可在站厅层营造通透的大空间，但在人流密度不高的设备层、站台层，为使结构受力更合理，可维持传统中柱设计，对于地下水位较高的地区，由于底板中柱竖向支撑力较弱，且站厅层中柱缺失，底板在水反力作用下可出现较大跨中弯矩，一般可采取增设抗拔桩的措施优化底板受力。

2）由于车站站厅层一侧开洞、一侧迎土，边界及荷载条件均不对称，导致开洞侧所在的站厅层及对应的设备层侧墙弯矩显著增大，结构设计时应对该侧侧墙与框柱予以适当加强。

3）不同的顶覆土条件下，站厅层中板轴力出现不同受力状态，较大的覆土会导致中板出现拉应力，中板受力由压弯构件转换成拉弯构件，对结构设计不利，应予以避免。

4）非对称边界无柱大跨车站地震作用下，站厅层开洞侧结构构件应力显著增大，顶板与侧墙交点在结构设计时应予以加强。此外，车站站台层中柱与楼板交点在地震作用下应力显著增大，是车站结构薄弱点。