羅 旭

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司 廣州 510010)

地鐵車站各設(shè)計狀況的結(jié)構(gòu)分析

羅 旭

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司 廣州 510010)

討論地鐵車站結(jié)構(gòu)分析時應(yīng)考慮的幾種設(shè)計狀況。結(jié)合工程實例，針對位于高水位地區(qū)的地鐵車站，提出持久設(shè)計狀況的兩種受力模式;采用軌道交通領(lǐng)域的人防設(shè)計規(guī)范進(jìn)行偶然設(shè)計狀況的分析，同時運用反應(yīng)位移法進(jìn)行地震設(shè)計狀況的分析。通過比較，找出它們對地下結(jié)構(gòu)使用和安全的不同影響，從而對地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。

地鐵車站;設(shè)計狀況;地下結(jié)構(gòu);作用組合;反應(yīng)位移法

1 研究背景

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，交通擁堵問題日益突出，修建大運力的地鐵系統(tǒng)已成為許多大城市的首選。在我國進(jìn)入軌道交通建設(shè)繁忙時期的背景下，許多設(shè)計理念和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)卻并沒有得到一定程度上應(yīng)有的統(tǒng)一。比如，關(guān)于水浮力對地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，很多文獻(xiàn)［1-3］并不一致，這無疑會給設(shè)計效率以及工程的可靠性、經(jīng)濟(jì)性帶來不利影響。筆者從最為常見的明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，以基礎(chǔ)性的國家規(guī)范《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》［4］(以下簡稱“可靠性統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”)為指南，討論地鐵車站結(jié)構(gòu)分析時應(yīng)考慮的幾種設(shè)計狀況，并應(yīng)用新的設(shè)計規(guī)范和設(shè)計方法詳細(xì)分析各設(shè)計狀況的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，從中找出結(jié)構(gòu)的控制性設(shè)計狀況。

2 設(shè)計狀況簡介

2.1 設(shè)計狀況

地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮哪些情況，許多規(guī)范和文獻(xiàn)并不統(tǒng)一?！兜罔F設(shè)計規(guī)范》規(guī)定“地下結(jié)構(gòu)應(yīng)就其施工和正常使用階段，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度的計算”［5］，這一說法過于寬泛。首先，地震和戰(zhàn)爭時的狀況是否屬于正常使用階段有待論證;其次，由于地下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其正常使用階段應(yīng)包含有多種情況?！渡虾Ｊ械胤浇ㄔO(shè)規(guī)范》［3］給出了3種工況:重力工況、水反力工況和立柱最大軸力工況，但這一說法同樣不準(zhǔn)確，因為它沒有指出這些工況屬于結(jié)構(gòu)生命周期的哪一階段，也沒有明確是否還存在其他工況。

而從《可靠性統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》出發(fā)，則可以從理論上系統(tǒng)認(rèn)識地鐵車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計究竟有哪些情況需要進(jìn)行計算分析?！犊煽啃越y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》推薦采用極限狀態(tài)設(shè)計方法，同時規(guī)定工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)區(qū)分4種設(shè)計狀況:持久設(shè)計狀況、短暫設(shè)計狀況、偶然設(shè)計狀況、地震設(shè)計狀況。對于地鐵車站結(jié)構(gòu)來說，持久狀況是指結(jié)構(gòu)使用時的正常情況，短暫狀況是指結(jié)構(gòu)施工時的情況，偶然狀況是指人防情況，地震狀況是指結(jié)構(gòu)遭受地震時的情況。此標(biāo)準(zhǔn)又規(guī)定，對4種設(shè)計狀況，均應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計。

2.2 作用組合

進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計狀況采用下列作用組合:基本組合，用于持久或短暫設(shè)計狀況;偶然組合，用于偶然設(shè)計狀況;地震組合，用于地震設(shè)計狀況。

基本組合用于持久設(shè)計狀況，對于其他簡單的工程結(jié)構(gòu)來說情況并不復(fù)雜，但對于地鐵車站需要進(jìn)行認(rèn)真研究。對廣州深圳等地下水位較高的車站來說分為兩種受力模式:①重力占主導(dǎo)，此種模式對應(yīng)軌道交通運營時段，車站頂板地面超載較大，中板、站臺板人群活荷載也較大，此時車站整體呈下沉趨勢，底板下土體受壓，壓頂梁不起作用;②水浮力占主導(dǎo)，此種模式對應(yīng)軌道交通非運營時段，由于地面車流量小，頂板超載略去不計，而各層板的人群活荷載也不考慮，此時車站整體呈上浮趨勢，底板下土體不再受壓，而壓頂梁開始起作用。對于重力占主導(dǎo)的受力模式，《地鐵設(shè)計規(guī)范》的條文規(guī)定，由于超靜定結(jié)構(gòu)某些構(gòu)件中的某些截面是按側(cè)壓力或底板水反力最小的情況控制設(shè)計的，所以應(yīng)分別考慮最高和最低水位兩種情況。

從以上分析可知，對地鐵車站進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)分析時，一共有3種作用組合，其分項系數(shù)如表1所示。

表1 作用組合分項系數(shù)

以下將根據(jù)地鐵車站在其全生命周期內(nèi)的各種設(shè)計狀況，以深圳地鐵2號線東延段工程的華強北站為例，使用相應(yīng)的作用組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。

3 各設(shè)計狀況分析

深圳地鐵2號線東延段工程的華強北站位于深圳市振華路與華強北路交叉口，采用明挖順作法施工，車站為地下2層雙跨箱型結(jié)構(gòu)，埋深約16.8 m，頂板覆土約3.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.0 m，長度為207.0 m。結(jié)構(gòu)安全等級為一級，設(shè)計使用年限為100年。車站結(jié)構(gòu)頂板、側(cè)墻、底板按6級人防荷載考慮。地震設(shè)防烈度按7度設(shè)計，地震特征周期0.35 s，建筑場地類別為Ⅱ類。高水位取地面，低水位取地面以下6.5 m。車站范圍內(nèi)巖土分布主要為:素填土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、礫質(zhì)黏性土、全(強)風(fēng)化花崗巖等。以下各設(shè)計狀況的結(jié)構(gòu)分析均針對車站標(biāo)準(zhǔn)段橫截面，采用有限元程序進(jìn)行模擬。限于篇幅，本文只給出各設(shè)計狀況的彎矩結(jié)果，重要截面的剪力和軸力情況輔以文字說明。

3.1 持久設(shè)計狀況

3.1.1 重力占主導(dǎo)

重力占主導(dǎo)時需考慮地面超載和各層板的活載，并用土彈簧模擬底板下土體的豎向抗力，同時需考慮最高水位和最低水位兩種工況，永久作用分項系數(shù)取1.35，可變作用分項系數(shù)取 1.4，其計算彎矩見圖1～圖2。

圖1 重力主導(dǎo)時的高水位彎矩圖

圖2 重力主導(dǎo)時的低水位彎矩圖

從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，重力占主導(dǎo)的情況下，結(jié)構(gòu)大部分位置的彎矩基本受高水位控制，只有在側(cè)墻(與中板連接的節(jié)點處)局部區(qū)域，低水位會產(chǎn)生比高水位更大的負(fù)彎矩，側(cè)墻配筋時應(yīng)予以注意。

3.1.2 水浮力占主導(dǎo)

水浮力占主導(dǎo)時不考慮頂板超載和各層板的人群活荷載，取消底板土彈簧，同時考慮壓頂梁的作用。水浮力占主導(dǎo)時與重力作用方向相同的永久作用對結(jié)構(gòu)受力有利［7］，故水浮力分項系數(shù)取1.35，其他永久作用分項系數(shù)取1.0，可變作用分項系數(shù)取1.4，其計算彎矩圖見圖3。

從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水浮力占主導(dǎo)的情況下，由于結(jié)構(gòu)受力模式的改變，其彎矩分布及大小和重力占主導(dǎo)時有很大區(qū)別。其中，頂板中間支座、底板跨中、底板邊支座的彎矩比重力占主導(dǎo)時大，這說明水浮力占主導(dǎo)時對結(jié)構(gòu)的許多截面有控制作用，是一個必須引起重視的計算工況。

圖3 水浮力主導(dǎo)時的彎矩圖

3.2 短暫設(shè)計狀況

短暫設(shè)計狀況是指結(jié)構(gòu)施工時的情況，《地鐵設(shè)計規(guī)范》提倡在施工階段按施工過程進(jìn)行分析，在使用階段要考慮施工階段結(jié)構(gòu)體系中已產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。某文獻(xiàn)按考慮施工過程影響和不考慮施工過程影響兩種方法對某地下車站進(jìn)行分析，得出的內(nèi)力包絡(luò)圖有較大不同，但是在實際設(shè)計工作中，由于全過程增量法計算工作量大且沒有計算機(jī)專用程序，故普遍采用不考慮施工過程影響的分析方法。對施工階段的分析，也只是采用商業(yè)軟件計算開挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。對此該文獻(xiàn)指出，如果在施工圖階段采用這種方法，需對截面配筋做出適當(dāng)調(diào)整［3］。

3.3 偶然設(shè)計狀況

偶然設(shè)計狀況對于地鐵車站來說，就是指人防狀況，《軌道交通工程人民防空設(shè)計規(guī)范》［8］于2009年7月施行，使軌道交通領(lǐng)域的人防設(shè)計有了自己的準(zhǔn)則，以下將主要根據(jù)此規(guī)范進(jìn)行偶然設(shè)計狀況的分析。限于篇幅，僅以核武器一次作用為例。

核爆炸動荷載可等效為靜荷載，從而簡化設(shè)計模型，其標(biāo)準(zhǔn)值可計算為

式中，q1、q2、q3分別為結(jié)構(gòu)頂板、外墻、底板的均布等效靜荷載;Kd1、Kd2、Kd3分別為結(jié)構(gòu)頂板、外墻、底板的動力系數(shù);Ph，Ph'分別為頂板和外墻中點處的壓縮波峰值壓力;K為頂板綜合反射系數(shù);ξ為土的側(cè)壓系數(shù);η為底壓系數(shù)。

以華強北站頂板為例，計算各參數(shù)值。由于覆土厚度3.5 m大于結(jié)構(gòu)不利覆土厚度，且小于兩倍不利覆土厚度，頂板動力系數(shù)Kd=1.45，頂板綜合反射系

1數(shù)K=1.32，土體中壓縮波波形可簡化為有升壓時間的三角形，波峰值壓力可計算為

式中，ΔPm=0.01 MPa為地面空氣沖擊波超壓峰值;t2=1.04 s為降壓時間;c1為土的峰值壓力波速;δ為土的應(yīng)變恢復(fù)比。

通過加權(quán)平均各土層的參數(shù)值，經(jīng)計算得出Ph=9.8 kPa，從而有

人防狀況時永久荷載分項系數(shù)取1.2，人防等效靜荷載分項系數(shù)取1.0，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，其計算彎矩如圖4所示。

圖4 人防組合彎矩圖

從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，人防狀況各截面的計算彎矩均比持久設(shè)計狀況要小，這說明人防設(shè)計狀況對地下車站的橫截面受力不起控制作用，但需注意人防動荷載的特殊性以及規(guī)范對某些構(gòu)件驗算時的特殊要求，并在構(gòu)造上采取一些必要的防護(hù)措施。

3.4 地震設(shè)計狀況

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(征求意見稿)的相關(guān)規(guī)定，可以采用反應(yīng)位移法［9］進(jìn)行地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震分析，將周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧，結(jié)構(gòu)采用梁單元建模，如圖5所示。

圖5 地下車站抗震分析模型示意

反應(yīng)位移法是對傳統(tǒng)地震系數(shù)法的發(fā)展，考慮了土層相對位移、結(jié)構(gòu)慣性力和結(jié)構(gòu)周圍剪力的作用。

3.4.1 土層相對位移作用

土層相對位移的作用可分別轉(zhuǎn)換為直接施加在結(jié)構(gòu)側(cè)壁和頂板上的等效荷載，有

式中，p(z)、p(zv)分別表示直接施加在結(jié)構(gòu)側(cè)壁和頂板的等效荷載;kh為結(jié)構(gòu)側(cè)壁壓縮地基彈簧剛度;ksv為頂板剪切地基彈簧剛度系數(shù);u(z)、u(zB)、u(zU)分別表示距地表面深度z處、底板zB處和頂板zU處的土層位移;而u(z)可根據(jù)一維土層的運動微分方程［10］，通過近似處理得到

式中，Sv為設(shè)計基準(zhǔn)面速度反應(yīng)譜;Ts為考慮土層地震應(yīng)變水平的場地特征周期;H為地表至設(shè)計基準(zhǔn)面的距離。

3.4.2 結(jié)構(gòu)慣性力

結(jié)構(gòu)慣性力指地下結(jié)構(gòu)因自身質(zhì)量在地震時產(chǎn)生的慣性力，等于結(jié)構(gòu)重量乘以設(shè)計水平地震影響系數(shù)α。而設(shè)計水平地震影響系數(shù)可通過最大水平地震影響系數(shù)經(jīng)地基、埋深等修正后得到。

3.4.3 結(jié)構(gòu)周圍剪力作用

對式(7)求導(dǎo)并乘以土層的動剪切模量，就得到了結(jié)構(gòu)周圍剪力，即

式中，τ為距地表面深度為z處的周邊剪力;Gd為土層的動剪切模量，可根據(jù)土體密度和土層剪切波波速求得。

3.4.4 計算結(jié)果

下面根據(jù)華強北站所處場地的工程地質(zhì)條件計算有關(guān)參數(shù)。側(cè)壁壓縮地基彈簧剛度kh=3×107N/m3，頂板剪切地基彈簧剛度系數(shù)ksv=1×107N/m3，設(shè)計基準(zhǔn)面速度反應(yīng)譜Sv=0.18 m/s，場地特征周期Ts=0.437 5 s，設(shè)計基準(zhǔn)面H=22 m，設(shè)計水平地震影響系數(shù)α=0.068，動剪切模量Gd=37.3 MPa。

在地鐵車站抗震設(shè)計荷載組合方面，采用現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范。但對一些地下結(jié)構(gòu)特有荷載，如地面車輛超載等可變作用，分項系數(shù)取1.0，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，通過有限元計算，其彎矩見圖6。

圖6 地震組合彎矩圖

從以上計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，地震狀況的計算彎矩具有明顯不同于上述其他設(shè)計狀況的特點，在側(cè)墻和頂板的節(jié)點處，在負(fù)一層側(cè)墻的跨中以及側(cè)墻與中板的節(jié)點處均出現(xiàn)了比上述其他設(shè)計狀況更大的彎矩。通過軸力分析還可以發(fā)現(xiàn)，地震作用時頂板、中板的軸力大幅度增加，此時應(yīng)進(jìn)行偏心受壓構(gòu)件的驗算。

4 結(jié)語

筆者從基礎(chǔ)性規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，討論了地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮的幾種設(shè)計狀況，詳細(xì)分析了各作用組合的分項系數(shù)取值，力求做到有據(jù)可依。本文結(jié)合深圳地鐵2號線華強北站這一工程實例，對各設(shè)計工況進(jìn)行了計算，結(jié)果表明:①在持久設(shè)計狀況下，重力占主導(dǎo)或水浮力占主導(dǎo)這兩種受力模式會對結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生顯著影響，而水位的變化也會對某些截面產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)配筋時應(yīng)采用上述幾種工況的包絡(luò)圖進(jìn)行;②人防設(shè)計狀況對地下車站橫截面受力不起控制作用，但需注意人防動荷載的特殊性并滿足一定的構(gòu)造要求;③地震設(shè)計狀況會對結(jié)構(gòu)的很多節(jié)點受力產(chǎn)生影響，同時會增加某些構(gòu)件的軸力，因此需驗算結(jié)構(gòu)配筋是否滿足，并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。

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Structural Analysis for Various Design Situations of Subway Stations

Luo Xu
(Guangzhou Metro Design ＆ Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510010)

Abstract:The paper discusses several design situations to be considered for structural analysis of subway stations.Considering an engineering example with high groundwater level，two computation models were put forward for the last design.Accidental design situation was performed in line with the code of civil air defence of rail transit.At the same time，seismic design situation was carried out by adopting a response displacement method.By comparing the results obtained，different influences on the use and safety of underground structures for various situations were clarified which will have certain significance for structural design of subway stations.

Key words:subway station;design situation;action combination;response displacement method

TU248.2

A

1672-6073(2012)02-0069-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.018

收稿日期:2011-03-09

2011-03-22

作者簡介:羅旭，男，助理工程師，從事城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，luolicn2003@yahoo.com.cn

(編輯:郝京紅)