大跨度明挖地铁车站结构设计

【摘要】轨道交通发展迅速，轨道交通的便捷准时等优点，地铁成为主要的公共交通形式。常规地铁车站内设置中柱作为竖向支撑构件，设置中柱后会影响车站空间利用、空间视野、建筑美观及客流效率。通过采用大跨度结构体系来提高地铁车站空间利用率、空间视野、建筑美观及客流效率。

【关键词】轨道交通； 地铁车站； 大跨度结构； 空间利用率

【中图分类号】U231.4【文献标志码】A

［定稿日期］2023-08-10

［作者简介］刘春宇（1988—），男，本科，工程师，从事地下工程及建筑工程结构设计与研究工作；郑声杰（1988—），男，本科，高级工程师，从事建筑工程结构设计与研究工作。

0 引言

地铁车站结构施工方法一般有明挖顺筑法、盖挖法顺筑法、盖挖法逆筑法、矿山法等。明挖顺筑法埋置浅，结构的整体性、结构自防水和附加防水层防水效果可得到保证，且施工方便，工程造价低，工期容易控制，对地质条件要求不高，有地面条件优先采用明挖顺筑法施工。由于明挖法施做的车站顶底板为平板结构，板的跨度有限，车站必须设置中柱。车站内设置中柱后会影响车站空间利用、空间视野、建筑美观及客流效率。明挖地铁车站大跨度结构，可提高地铁车站空间利用率、空间视野、建筑美观及客流效率。

1 设计概况

目前，轨道交通发展迅速，轨道交通的便捷准时等原因，地铁成为主要的公共交通形式。地铁车站结构施工方法一般有明挖顺筑法、盖挖法顺筑法、盖挖法逆筑法、矿山法等。明挖顺筑法埋置浅，结构的整体性、结构自防水和附加防水层防水效果可得到保证，且施工方便，工程造价低，工期容易控制，对地质条件要求不高，有地面条件优先采用明挖顺筑法施工。由于明挖顺筑法施工做的车站顶底板为平板结构，板的跨度有限，车站必须设置中柱。车站内设置中柱后会影响车站空间利用、空间视野、建筑美观及客流效率。明挖地铁车站大跨度结构，包括结构顶板、结构中板和结构底板，结构顶板和结构中板通过负一层侧墙支撑，结构中板和结构底板通过负二层侧墙支撑，通过负一层侧墙和负二层侧墙支撑连接结构顶板、结构中板和结构底板，形成双层结构空间；结构顶板包括平板结构顶板和拱形结构顶板形成的复合结构，复合结构延伸车站的整体跨度，形成双层结构空间内的无柱结构体系。常规地铁车站设置中柱后会影响车站空间利用、空间视野、建筑美观及客流效率，通过采用大跨度结构体系进行提升（图1、图2）。

2 大跨度结构体系地铁车站特点

2.1 结构受力体系

保证安全的前提下，取消原有结构中的受力转换构件顶纵梁、中纵梁、底纵梁及竖向受力体系柱子，采用拱形结构，在结构中拱形结构是很好的受压结构，可以充分发挥混凝土的受压性能。节点位置往往是受力薄弱点，大跨度结构体系地铁车站取消了梁柱节点、梁板节点从本质上提高了车站整体受力状况。

2.2 提升空间利用率

大跨度结构体系地铁车站采用拱形结构，可以将拱形结构以下空间作为站厅层公共空间，可提供更高的层高，更好的视野和空间利用率。常规单柱地铁车站由于结构体系原因必须设置中柱，设置中柱后会影响整体空间使用，视野也要受到中柱影响。在相同规模下，大跨度结构体系地铁车站，上部采用拱形结构，拱部以下空间可以作为站厅层使用，在不提高整体站厅层层高情况下，获得更多的站厅层使用空间，因此大跨度结构体系地铁车站提供了更加经济合理的设计方案。

2.3 地下空间资源利用更合理

地铁大多数位于市政道路之下，对于顶板上方覆土厚度有严格要求（一般为3～4 m），大跨度结构体系地铁车站在满足市政要求时，可对空间夹层部分进行利用，不需要单独增加层高即可满足各专业需求，从而提高地下空间利用率更高。地下空间资源极其宝贵，在满足各类要求前提下，通过大跨度结构体系地铁车站设计方案可以对地下空间资源进行合理利用，避免了地下空间资源的浪费。

2.4 方便施工

梁柱节点、梁板节点处钢筋密集，需要细石混凝土浇筑和充分振捣，对施工人员素质要求较高，施工质量往往不容易把控。大跨度结构体系地铁车站取消梁柱体系，使施工更加方便快捷，施工质量更容易保证。

3 计算分析

3.1 计算模型

采用MIDAS GEN有限元软件模拟计算，分析相同车站规模和同等外部条件下，常规中柱地铁车站和大跨度地铁车站的受力情况。结构计算采用“荷载-结构”模型。由于车站纵向较长（大于2倍车站宽度），故结构受力后基本上为平面应变状态，可简化为平面问题进行计算。在计算时纵向取单位长度（1 m）按平面杆系有限元法进行计算。根据不同结构型式下力学分析，进行单柱常规地铁车站和大跨度地铁车站建模分析。具体计算简图如图3所示。

3.2 计算参数

单柱常规地铁车站和大跨度地铁车站计算模型选取相同的结构参数，车站宽度19 m、车站高度17 m、顶板厚度800 mm、底板厚度1 000 mm及侧墙厚度800 mm等，混凝土等级均采用C40混凝土。外部条件也采用相同参数，地面超载20 kPa、顶板覆土3 m、覆土容重25 kN/m3、水容重10 kN/m3、人群荷载4 kPa、设备荷载8 kPa、装修荷载2 kPa、水平基床系数加权平均值为Kh＝100 MPa/m，垂直基床系数加权平均值为Kv＝150 MPa/m。结构所在土层静侧压系数加权平均值为：K0＝0.4。

4 计算结果对比分析

采用相同结构参数及相同外部条件情况下，对比分析单柱常规地铁车站和大跨度地铁车站不同结构形式下，结构计算结果。按照不同方案进行结构设计，计算分析结构受力情况如图3所示。对比发现在不同的方案下，通过计算分析在相同车站规模，相同外部环境条件下，结构受力总体变化不大。大跨度结构体系满足结构受力要求，并能保证车站安全。

方案1：常规单柱地铁车站；方案2：大跨度结构体系地铁车站。对于方案1，顶板边支座弯矩计算值664 kN·m，顶板中支座弯矩计算值580 kN·m，顶板跨中弯矩计算值404 kN·m；中板支座弯矩计算值169 kN·m，中板跨中弯矩计算值86 kN·m；底板边支座弯矩计算值752 kN·m，底板中支座弯矩计算值733 kN·m，底板跨中弯矩计算值569 kN·m。

对于方案2，顶板边支座弯矩计算值742 kN·m，顶板中支座弯矩计算值487 kN·m，顶板跨中弯矩计算值415 kN·m；中板支座弯矩计算值668 kN·m，中板跨中弯矩计算值337 kN·m；底板边支座弯矩计算值1 028 kN·m，底板跨中弯矩计算值506 kN·m。

从受力分析结果比较方案1与方案2，方案2边支座受力增加12%，中支座受力减小17%，顶板支座处和跨中计算结果相差不大，边支座仅通过增加配筋即可保证结构的安全；中板支座及跨中计算结果相差较大，但中板通过适当增加截面尺寸和配筋即可保证结构安全；方案2边支座受力增加25%，跨中受力减小13%，底板支座处和跨中计算结果相差不大，边支座仅通过增加配筋即可保证结构的安全；方案1与方案2在相同规模和外部荷载条件下受力分析结果相差不大，适当增加配筋即可保证结构安全。

5 结论与建议

综上所述，大跨度结构体系地铁车站在提升车站品质方面具有独特优势，可以取消影响空间视野的中柱结构，留有更多空间。大跨度结构体系地铁车站采用拱形结构，将拱形结构以下空间作为站厅层公共空间，可提供更高的层高，更好的视野和空间利用率。两侧的夹层空间可进行各类设备管线的布置，不影响车站使用功能同时，提升地下空间利用率。本设计方案通过MIDAS GEN有限元软件进行结构受力分析，保证结构安全性前提下，充分利用结构受力特性和地下空间资源，对地下车站空间进行最大程度利用。

参考文献

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