地铁明挖车站有关配筋问题的探讨

宋 仪

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300013)

0 引言

当前，我国的地铁建设正在迅速发展。据不完全统计，到目前为止，我国已经投入运营的地铁线路长度超过1 000 km，车站数量达到700座左右，其中绝大多数车站为明挖车站。我国的地铁设计者虽积累了丰富的设计经验，但是地铁的某些设计细节上还存在着一些问题。由于很多设计师对结构配筋设计的一些基本问题没有搞清楚，导致部分地铁车站配筋量过大，导致地铁的投资增大。如某城市地铁，其中有18个地铁车站全部采用明挖结构形式。由于工作需要，将全线的14个车站的含钢量做了一个总计，见表1。

由表1可以看出:车站的每m3混凝土含钢量平均为187.8 kg，最大为238 kg，最小为155 kg。最大与最小相差1.5倍。

地铁明挖车站埋深、跨度、结构尺寸均差别不大，混凝土含钢量也应该差别不大才对。为什么这些车站的含钢量差别这么大呢?明挖车站含钢量差别大并非这条线的个别现象，很多地铁车站，甚至同一家设计院设计的同一条线不同车站的含钢量差别也很大。

表1 某城市明挖车站含钢量统计表Table 1 Rebar amount of Metro stations constructed by cut and cover method

通过深入研究，发现文献 ［1－3］对明挖车站荷载、计算方法、计算模型规定的比较明确。不同的设计师对同样的计算对象算出来的结构内力基本相同。得出内力后的配筋计算，《地铁设计规范》缺乏对相关内容的规定。设计师主要遵循《混凝土结构设计规范》。不同的设计师在具体设计时，对有些重要问题的处理方式不同，导致车站的含钢量差别较大，安全度也不同。

归纳起来，影响车站最后配筋量的影响因素如下:消峰问题、轴力取值问题、腋角问题、梁计算模型问题、分布筋取值问题和人为放大问题。

1 板、墙的配筋计算问题

车站的顶、底板和边墙直接承受车站外部垂直于板面的水土压力等荷载，在结构内部产生弯矩、剪力和轴力。从结构类型上划分，它们都属于板。

1.1 消峰问题

消峰的实质是计算截面应如何选取的问题。以顶板边支座配筋为例，如图1所示。车站横断面内力计算时，顶板的边缘取在边墙的中心位置，计算出来的最大弯矩是图中A点的弯矩。但是对顶板进行配筋计算时，考虑的最危险截面不应取边墙轴心，应取边墙的内边界，对应B点弯矩。由于查找B点弯矩不方便，可以采用式(1)对最大弯矩进行折减(俗称消峰)。

式中:Q为A点位置的剪力;B为边墙的宽度。

图1 车站顶板边支座弯矩示意图Fig.1 Bending moment of side seat of roof slab of Metro station

以2号车站1号断面(适用于1－3轴)顶板边支座的计算为例，Mmax=580 kN·m，Q=491 kN，B=0.7 m，顶板厚度 0.8 m。代入式(1)，得:

M=Mmax－1/3(QB)=465 kN·m。详细的配筋计算见表2。消峰以后计算弯矩减小约20%。配筋量减小24%。

有些设计者错误地认为消峰是由于板塑性内力重分布的原因，在支座最大弯矩减小的同时，将跨中弯矩增大是不对的。地铁车站结构设计应采用弹性分析方法，最少在现阶段是这样。

表2 消峰对配筋影响对比表Table 2 Influences of peak-to-average power reduction on rebar

1.2 轴力的取值问题

轴力取值对最终的配筋量也具有显著的影响。明挖车站的板、墙都是同时承受弯矩和轴力，应该按照压弯构件进行配筋计算。仍然以2号车站1号断面(适用于1－3轴)为例，其顶、底板以及边墙的内力及配筋如表3所示。

表3 轴力对配筋影响对比表Table 3 Influence of axial force on rebar

从表3可以看出，轴力对配筋量的影响非常大，考虑轴力可降低配筋量15%～30%。实际设计中对轴力的处理不尽相同，有完全不考虑轴力的，有将轴力进行折减后考虑的，有全部考虑轴力的。正因为轴力对减小结构配筋有利，所以，从安全的角度考虑，要对轴力进行分析，不能简单地采用横截面整体计算的轴力进行配筋计算。理由如下:

1)各层板的分析。车站顶板的弯矩主要来自于顶板所承受的荷载，荷载大小比较明确，理论计算值与实际数值相差不大。顶板的轴力主要来自于车站侧墙所承受的侧向水土压力。根据工程经验，侧向水土压力实际值一般较计算值偏小(也有个别情况实际值比计算值大)。因此，车站顶板的配筋(其他各层板也同理)，按照全部轴力值进行计算是不安全的，应该对轴力的取值进行适当地折减。

2)侧墙分析。侧墙的受力与顶板不同。侧墙最大弯矩发生在与顶、底板连接位置，是顶、底板边支座弯矩传导过来的，所以侧墙的最大弯矩和轴力都来自于顶、底板所受的荷载。弯矩与轴力来源一致，规律一致，因此，侧墙的配筋可以按照横断面整体计算出弯矩和轴力。

综上所述，对侧墙进行配筋计算时，可以考虑轴力对结构的有利影响;而对各层板的配筋计算，应对轴力的取值进行折减，折减系数取值应该根据地层和水文条件而定。在土层自稳性好、没有地下水的条件下，甚至可以完全不考虑轴力。

1.3 截面计算高度问题

在明挖车站中，在板墙交接位置往往设置有腋角，如图1所示。腋角的存在增大了危险断面的计算高度，这对于配筋是有利的。但是很多的设计人员在进行配筋设计时，不考虑腋角的影响，将其作为安全储备，这种做法大大增加了工程造价。

以2号车站1号断面(适用于1－3轴)的顶板边支座为例，验算腋角对减小配筋的作用，如图1所示。腋角的尺寸为300 mm×900 mm，不计轴力的作用，计算结果见表4。

表4 腋角对配筋的影响对比表Table 4 Influence of haunch on rebar

从表4可以看出，考虑腋角后截面高度增加了37.5%，配筋量减小了10%。对于顶板来讲，腋角对配筋量的减小幅度不大，但是腋角对侧墙的影响比较大，考虑腋角后E截面不再成为最危险的截面，危险截面变为F截面。

1.4 分布筋与附加筋问题

分布筋的作用是将所承受的荷载分散给受力主筋。从受力的角度讲，分布筋是不受力的，构造配筋即可。按照《混凝土结构设计规范》［2］的相关条款，单向板的分布筋不小于受力主筋的15%。若要使设计经济合理，对分布筋和附加筋也应非常重视，不能盲目增大。以西安地铁某车站的顶板配筋设计为例，车站顶板厚 0.8 m，混凝土量 2 855.2 m3，钢筋共计 506.1 t，每m3混凝土含钢筋177 kg。这个含钢量并不大，属于平均水平。将钢筋分为受力主筋、纵向分布筋、腋角附加筋和竖向钩筋4部分分别进行统计，见表5。可以发现:纵向分布筋占受力主筋的29.1%，也还是有些偏大了。有些车站的腋角附加筋配的很大，也是不合理的。

表5 某车站顶板钢筋数量统计表Table 5 Amount of rebar of roof slab of a Metro station

1.5 人为配筋扩大问题

计算出配筋量以后，设计人员要综合考虑不同截面的钢筋型号、间距的统一，在实际配筋时进行一些调整。实际配筋量与计算配筋量之间往往有一定的差异，这是合理的。

以某站2－2剖面计算为例，这是一个3层单跨明挖车站，取10个关键截面进行配筋计算，总计算配筋面积为73 802 mm2，实际配筋面积为87 423 mm2，扩大了11.8%，这样的扩大属于正常。但是若过份地扩大实际配筋，那就不合理了。然而这种事情在很多车站的配筋设计中经常发生，见表6。

表6 某车站计算钢筋面积与实际配筋面积对比表Table 6 Comparison and contrast between calculated rebar area and actual rebar area

9个计算截面，计算配筋面积为46 850 mm2，实际配筋面积为74 970 mm2，扩大了60%，这样的扩大就很不合理了。

2 梁的计算模型问题

明挖车站顶、底板的中纵梁配筋量非常大。图2是某车站的底梁配筋断面图，共配49根φ32的钢筋，上排钢筋净距仅有58 mm。

图2 矩形梁配筋横截面图(单位:mm)Fig.2 Cross-section of rebar distribution of rectanglular beam(mm)

混凝土结构的配筋，并非越多越好。梁配筋过多，对结构抗震不利。钢筋过密导致浇筑混凝土时振捣困难，也容易影响到混凝土的质量。

主梁的配筋应该可以优化。现在几乎所有的明挖车站的主纵梁，都是按照矩形截面来进行配筋的。其实车站各层板厚度很大，可以与梁协调变形，一起承担荷载，因此，梁的断面按照T形截面进行计算会更加合理，如图3所示。根据《混凝土设计规范》可知:当翼缘处于受压区时，翼缘对于梁的强度验算有利，对于裂缝验算无影响;而当翼缘位于受拉区时，翼缘对裂缝验算有利，对强度验算无影响。梁的最终配筋应该分别验算强度和裂缝，按照最大配筋量进行设计。表7为某站顶纵梁对配筋计算的对比表，由表7可知:T形梁计算不仅对各层板中纵梁有用，对于侧墙上的孔边腰梁，也可以起到优化配筋、降低截面高度的作用。

图3 T形梁配筋横截面图(单位:mm)Fig.3 Cross-section of rebar distribution of T-shaped beam(mm)

表7 某站顶纵梁对配筋计算对比表(裂缝控制)Table 7 Rebar calculations of longitudinal beam of roof slab of a Metro station(crack control)

3 结论与建议

本文中所述明挖车站板、梁配筋混凝土结构设计的基本概念，在房建设计领域根本不能成为问题。但是在地铁设计领域，由于各种原因，一些设计师在配筋设计时对这些问题予以忽视，导致设计偏于保守，投资增加，这也是不同的设计院、不同的设计师设计的车站含筋量差别比较大的原因。建议在进行地铁设计时，应将这些问题的规定纳入《地铁设计技术要求》，统一明挖车站配筋设计的设计原则。如果消峰、轴力、腋角、弱化分布筋、T形梁等建议都得以实施的话，估计在不改变车站结构尺寸的前提下，一般的地铁明挖车站主体每m3混凝土含筋量可以降低到150 kg以下。建议在有条件的情况下，对地铁明挖车站关键部位的钢筋应力进行现场实测，为进一步提高地铁明挖车站的设计水平提供可靠的数据支持。

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

［2］ GB 50010—2010混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［3］ GB 50009—2001建筑结构荷载规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.