浅析地铁车站附属结构设计的数值模拟分析

黄宇

摘要：在地铁工程设计的整个过程中，地铁车站结构设计应该放在至关重要的地位，每一个结构构件的尺寸拟定和钢筋参数都应该经过严格的计算，才能以最经济合理的造价建设出安全的地铁服务设施。文章以实际工程为背景，重点阐述地铁车站附属结构在非常复杂的情形下应注意的设计细节。

关键词：地铁车站附属结构;结构设计;整体计算;局部计算

1 工程概况

本站是某市轨道交通一号线的某个车站。车站选用双岛12m站台三层三柱四跨矩形結构型式，其中，负一层为物业层，负二层为站厅层，负三层为站台层。本站设置10个出入口（含物业）、5个消防口、4组风亭、一组冷却塔，顶板覆土均约为2m。

2 计算原则及荷载

2.1 计算原则

1）地铁工程设计使用年限为100年。主体结构安全等级为一级，结构重要性系数1.1。

2）主体结构按6度抗震设防烈度及6级人防抗力进行验算。结构设计时按三级抗震采取相应的构造处理措施。

3）结构设计分别按施工阶段和正常使用阶段进行结构强度计算以及裂缝宽度验算，并满足刚度、稳定性及耐久性等要求。结构构件的裂缝控制等级为三级，即结构构件允许出现裂缝。按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响的最大计算裂缝宽度允许值，对于迎水面为0.2mm，对于背水面为0.3mm，且不得有贯穿裂缝。

2.2 计算理论分析及荷载

1）计算理论

采用荷载结构模型有限杆单元法进行计算，车站结构按底板支撑在弹性地基上的平面框架进行内力分析。用布置于节点上的弹簧单元来模拟地基与底板的相互约束;假定弹簧不承受拉力，即不计地基与底板间的粘结力;弹簧受压时的反力即为地基对底板的弹性抗力。

2）计算荷载

结构自重：指结构自身重量产生的沿各构件断面轴线均匀分布的竖向荷载。

垂直地层压力：垂直压力即为其上覆填土的重量。

水平地层侧压力：为垂直压力乘以侧压力系数。

弹性抗力：为地层对结构的约束力，其值为抗力系数与约束变位之乘积。

静水压力：在计算水土压力时，根据地形、水文地质、地层的渗透性、施工方法等条件确定采用水土合算还是水土分算的原则。

地面超载：20kN/m2。

人群荷载：4kN/m2。

设备荷载：8kN/m2。

人防荷载：人防按核6级、常6级设防。作用在顶板、侧墙、底板的人防等效静荷载按照规范，根据工程实际进行计算。等效静载值可参考应用以下值：主体结构作用在顶板上的等效静载为 70 kN/m2，侧墙为 50～55 kN/m2，底板为60 kN/m2。

3 附属主体结构计算

结构计算采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠指标度量结构构件的可靠度。采用以分项系数的设计表达进行结构计算分析。

结构构件应根据承载力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别按下列规定进行计算和验算。

承载力及稳定：所有结构构件均应进行承载力（包括压曲失稳）计算;需考虑地震、施工等特殊荷载的作用，尚应进行结构构件抗震承载力计算。

结构计算简化模型的确定，根据结构的实际工作条件，并反映结构与周围地层的相互作用。

计算假定：

采用荷载结构模型有限杆单元法进行计算，车站结构按底板支撑在弹性地基上的平面框架进行内力分析。

用布置于节点上的弹簧单元来模拟地基与底板的相互约束;假定弹簧不承受拉力，即不计地基与底板间的粘结力;弹簧受压时的反力即为地基对底板的弹性抗力

3.1 结构参数

1）结构选型

车站附属明挖结构采用现浇整体式框架结构，车站附属主体为单层多跨（局部为两层单跨）框架结构型式。

2）主体结构主要尺寸拟定

经初步计算及类比其他地区地铁及地下空间设计工程的经验，拟定车站附属结构主要尺寸，如下所示：顶板厚度0.9m;底板厚度0.9m;侧墙厚度0.6（0.7）;柱断面尺寸0.8×1.0m;顶纵梁断面尺寸1.0×1.8m;底纵梁断面尺寸1.0×1.8m。

3.2附属主体结构荷载计算

顶板土压：Ft=25kN/m;顶板水压：Fs=25kN/m;

顶板超载：Fc=20kN/m。

负一层板、负二层板人群荷载：Fr=4kN/m;负一层板、负二层板设备荷载：Fsb=8kN/m。

主体结构底板水压：Fs=215.3kN/m;

附属结构底板水压：Fs=91kN/m;。

主体结构侧墙水压：Fs1=25kN/m;Fs2=215.3kN/m;

附属结构侧墙水压：Fs1=25kN/m;Fs2=91kN/m;

3.3东北侧附属顶板计算内力如图

由于车站东北侧、西北侧附属结构形式比较复杂，故将模型进行适当简化后采用整体计算。计算模型详见下图：

图1 附属主体结构计算模型

3.4计算过程及结果

通过对附属结构整体进行数值模拟分析计算，得出顶板、底板、侧墙、顶梁、底梁及柱的结构内力，如下图所示（西北侧的内力图未表示）。通过结构内力得出结构的配筋参数如下表所示。可知，采用上述结构尺寸及合理的配筋参数，满足钢筋混凝土结构设计规范要求。

图2 东北侧附属顶板承载力极限状态弯矩图（kN·m）

图3  东北侧附属顶梁承载力极限状态弯矩图（kN·m）

东北侧附属结构最大配筋汇总表（西北侧略）

结构部位

弯矩计算配筋

剪力计算配筋

裂缝宽度（mm）

备注

顶板

支座

E22@100+E25@200

Φ10@200x300

0.197

裂缝控制

跨中

E22@100

Φ10@200x300

0.255

裂缝控制

底板

支座

E22@100+E25@100

Φ10@200x300

0.197

裂缝控制

跨中

E22@100

Φ10@200x300

0.234

裂缝控制

侧墙

支座

E20@100+E22@100

Φ10@200x300

0.188

裂缝控制

跨中

E20@100

Φ10@200x300

0.285

裂缝控制

顶梁

支座

11E28+19E32

-

0.164

裂缝控制

跨中

11E28+6E32

-

0.246

裂縫控制

底梁

支座

4E32+11E28

-

0.081

裂缝控制

跨中

11E28

-

0.055

裂缝控制

结构柱

36E25

-

0.181

裂缝控制

3.5附属主体结构断面计算

标准段横剖面计算

标准段横剖面计算内力如图所示：

图4  标准段横剖面承载力极限状态弯矩图（kN·m）

由于轴力及剪力对计算结果不起控制性作用，在横剖面计算时就不再给出计算结果，仅在计算主筋时考虑轴力的影响，以及取顶板、底板及侧墙剪力的最大值进行验算结构抗剪是否满足要求。

通过以上横断面计算与整体结构计算对比可知：横断面计算结果相对于整体计算来说，计算结果偏小，因此车站结构配筋以整体计算结果进行控制。

4 小结

综上所述，在地铁车站附属结构形式较为复杂的情形下，结构内力整体分析与常规的断面分析在分布规律上是相同的，但最大设计内力却是以整体分析更为合理，因此当遇到类似不规则结构断面形式时，应以结构整体计算结果作为控制条件。