地鐵車站結構設計中存在的問題

1、地鐵車站結構設計中存在的問題惠麗萍王良(北京城建設計研究總院有限責任公司摘要:本文主要針對目前采用的地鐵結構計算模式、計算方法進行了歸納.并引用實例對各種計算模式、汁算結果進行了對比。同時提出了地鐵結構設計中存在的一些問題:地鐵結構抗震問題與現(xiàn)狀規(guī)范的不符之處、地鐵結構變形縫設置問題、地鐵結構耐久性問題及特殊性。關鍵詞:地鐵車站結構計算抗震變形縫耐久性1前言為解決城市交通問題,修建具有超強運力的地鐵與輕軌,已逐漸成為大城市的首選手段。目前國內已經(jīng)部分建成或正在修建地鐵(或輕軌的城市有:北京、上海、天津、廣州、深圳、大連、武漢、重慶、青島等城市,正處在設計階段的城市有:長春、沈陽、杭州、成都等城

2、市。地鐵在城市發(fā)展中的經(jīng)濟效益和社會效益也是有目共睹的。但是對于以地下工程為主的地鐵結構,在結構設計中由于巖土性質的復雜性、施工技術的多變性、設計理論的局限性,使我們的設計尚存在一些問題或不完善的地方,需要我們不斷地探索、求解。2結構設計存在的問題2.1結構計算模式問題2.2.1地鐵車站的結構形式由于使用功能的要求,大多數(shù)車站設計成沿橫向24跨、縱向為多跨的長條結構,結構總寬度為2030m,總長度為170220m,沿高度大多分23層,結構內部只設縱梁不設橫梁(或局部設有高度受到嚴格限制的橫梁,其結構形式可定義為箱形框架結構。為不影響城市地下管網(wǎng)的設鬣,車站的上部往往有較厚的覆土(一般大于3m,

3、這樣結構的基坑深度一般可達1520m,為抵抗水土壓力、車輛荷載以及特殊荷載,結構的頂板、底板、邊墻往往都較厚(一般為0.61.0m,頂梁、底粱的截面高度也很大(一般為1.62.2m,中間樓板由于要承受較大的設備荷載、人群荷載及裝修荷載,其厚度也比一般的樓板厚許多(一般為0.3o.5m,這樣就形成一座有巨大剛度的地下長條結構。2.2.2目前采用的設計理論(1橫斷面計算法:沿車站縱向截取單位長度的橫斷面結構,將墻、板假設成單位長度的梁單元,將框架柱按剛度或面積換算成單位長度的厚度,底板與地基間采用彈性假定,用豎向基床系數(shù)與底板單元長度的積作為地基彈簧剛度,用荷載一結構模型按有限元法進行內力計算,根

4、據(jù)不同的荷載組合得到結構的內力包絡圖。對于縱梁,則是根據(jù)通常的板梁柱傳力方式,由板傳給梁(或根據(jù)斷面計算得到的單位長度支撐點的支點反力反算梁的荷載,形成梁的荷載,柱作為梁的支點,根據(jù)多跨連續(xù)梁結構進行梁的內力計算。此種方法是目前最通用的方法。(2空間梁系計算方法:取空間結構,將板、墻劃分成較密的網(wǎng)格,用密集的梁單元代替這些板和墻,并與實際的梁、柱結構組成梁單元體系,荷載作用于節(jié)點上,用有限元法對整體結構體系進行內力計算分析。(3空間板系計算法:按照空間體系將結構進行網(wǎng)格劃分,將板、墻、梁、柱按照各自的結構尺寸,采用4節(jié)點或8節(jié)點等參元劃分成板單元,用有限元法進行結構內力分析計算。中國城市軌道交

5、通(2004(4空間梁板系計算法:按照空間體系將結構進行網(wǎng)格劃分,將板、墻按照各自的厚度,采用4節(jié)點或8節(jié)點等參元劃分成板單元,而梁柱依然采用梁單元框架體系,用混合元結構進行結構內力計算分析。2.2.3計算方法分析計算方法涉及的問題其實都是力學模型建立的問題,涉及的問題主要在于空間假定與平面假定,板單元、梁單元以及梁與板作為共同體的受力問題等,上述的幾種計算方法都有其一定合理性,但又頂縱粱1000x1500陲鼯(余同l中結梁ll皇壁一I l,麗品¨伽T,Tl底繞梁l妊磊烈L、叩66506200665070l20900o I圖1標準斷面結構圖(單位:mmq-=,90kN/m田匝匝衛(wèi)皿P

6、l=36kN/mP2132kN/m主至至圭至至至至圭至至主主至K.=40000kN/m圖3考慮斜托拱效應計算閏式(1橫斷面計算法是目前較多采用的一種計算方法,也是一種最簡化的計算方法,其缺點是忽略了板的剛度對梁的受力影響,如果板較厚,或者板厚與梁高之比介于0.20.5之間,則板對梁縱向受力的影響是不容忽略的,實際上大多數(shù)地鐵車站的板厚與梁高之比都介于這個范圍,按橫斷面計算法的結果可能是板的橫向彎矩偏大,而縱向彎矩被忽略掉了,同時忽略掉了板對梁的彎矩的分擔,致使梁的計算彎矩過大,這會一2都有其局5R性。本文以某車站作為工程實例進行計算比較,結構計算假定條件為:頂板覆土3.6m,土層側壓力系數(shù)取0

7、.4,底板與地基的相互作用按照彈性地基假定,地基豎向基床系數(shù)取40000kN/m (為方便計算,對地層參數(shù)進行了簡化,水土壓力按合算形式,地層按均質地層,比重取20kN/m,地面超壓按20kPa計算。結構斷面見圖l,橫斷面法計算圖式見2、3,空間體系法計算圖式見圖4 (由于單元太多,計算中僅取頂板來說明問題。q290kN/m田田匝皿ei-36kN/m主至至圭至至至至主至至至至至K-糾10000kNhn圖2不考慮斜托拱效應計算圈式圈4頂板按空間結構計算圈式導致板在某些部位(如柱邊、梁邊縱向配筋不足。另外,結構橫剖面在梁的支座部位與梁的跨中部位,其受力情況也是有差異的,這在空間體系計算法的計算結果

8、圖5圖10中可以看出:不論跨中還是支座處,板中均有縱向彎矩,而且沿支座處的縱向彎矩(1-1剖面遠遠大于跨中處的縱向彎矩(2-2剖面,采用橫斷面計算法就無法計算板內沿縱向的彎矩。(2空間梁板系計算法,計算結果見圖5和圖第二部分城市軌道交通綜合規(guī)劃與設計6。圖5、圖6的區(qū)別僅是調整了板與梁的相對高度,按照工程實例的計算結果(圖5,縱梁吸收的彎矩非常小,而板內彎矩卻相對較大,而圖6由于加大了梁的剛度,降低了板的剛度,縱梁吸收的彎矩迅速增加,板內彎距也相應下降,這說明圖5的工況中板參與了梁的工作,而且起到了主要的作用。兩種工況中,支座處的橫向彎矩僅比縱向彎矩稍大,而跨中處的橫向彎矩則較小,而且與橫斷面

9、計算法的計算結果相差極大,這說明設計時應該考慮梁與板的相對剛度及板受力的空間問題。卜鹼呷毋呻鴣b卅k_一爭。牝l-1剖面粱內彎矩-1剖面板內彎矩2-2剖面板內彎矩阻凹4k0口以k冒F卅3-3剖面板內彎矩4_4剖面板內彎矩圈5空間粱板系計算法按板單元+粱單元(板o.7m,1×1.5m1-l剖面粱內彎矩阻。鹽。今。,。呸k。堙k。心。,4kI.I剖面板內彎矩肛,中置竹q,詈,口1r甜jk2-2剖面板內彎矩3-3剁面板內彎炬p、廿,匹口,墨q 4-4剖面板內彎矩田6空間粱板系計算法按板單元+粱單元(板05mt l×1.8m(3空間板系計算法,本算例將車站頂板按無梁等厚板處理,計算

10、結果(見圖7表明,板在支座處兩個方向的彎矩都較大,而跨中處兩方向都較小,而且沿縱向的彎矩要大于沿橫向的彎矩,結構受力狀況接近于雙向板無梁樓蓋。此結果與圖8按純梁計算相比,雖然結構尺寸一致,但圖8的結果要大于圖7的結果。I.1剖面板內彎矩夸可,古飛F莒、口一暑,口1卜,f】k2-2剖面板內彎矩阻。k。垂。4險。一以3-3剖面板內彎矩4-4剖面板內彎矩圈7空聞體系計算法按純板單元(板0.3m模式1.1剖面粱內彎矩k。噬、乎。卜。母、礦皆。4驗2-2剖面粱內彎矩3-3剖面粱內彎矩4.4剖面粱內彎矩圈8空間體系計算法接純粱單元(次梁X0.3m,主粱1×0.3m模式(4空間梁系計算方法,計算結

11、果見圖8圖10。圖8圖10在計算中僅是調整了粱與板的相對1-l剖面粱內彎矩k榔學、曾匐穸骨軋2-2剖面粱內彎矩卜町奎垂口43-3剖面粱內彎矩畦,囂一4-4剖面梁內彎矩圖9空間體系計算法按純粱單元(次梁X0.3m,主粱1×1.5m模式182中國城市軌道交通(2004剛度,很明顯:縱梁剛度愈大,其縱向彎矩也愈大,而跨中處的縱向彎矩及支座處的橫向彎矩反而降低。這也說明梁與板是一個共同受力體,而且其相對剛度的變化對計算結果影響極大。善n藤氚流泳泳;愁身縫藤如如如尜;沁爿2-2剖面粱內彎矩口獸攀礱岬磊魯。g獸?曝嚳萍i靼3-3剖面粱內鷹炬4-4剖面粱舟學矩陣圈lo空間體系計算法按純粱單元(次梁

12、1×0.5ITI.主梁l×18m模式從上述計算結果的分析中可以看出;采用橫斷面計算法雖然簡單,但其結果的真實性同板與梁的相對剛度有著極大的關系,對于板厚較大的地鐵車站,簡單地采用此法進行結構計算是有缺陷的,它忽略了板沿縱向對彎矩的分配,在結構的橫向,跨中與支座處的受力也有極大差異,這說明,地鐵結構設計中,應考慮各構件的協(xié)同工作,并按照空間計算法,合理地調配梁板的相對剛度,使得設計更加符合結構真實的受力情況。當然,采用空間計算法,如果不借助于計算機和大型的計算程序,是很難實施的。目前能將巖土理論、板殼理論、中厚板理論、耦合理論、變形協(xié)調理論等有機結合起來,能夠自動進行空間網(wǎng)格

13、劃分、便于參數(shù)輸入、計算結果較為合理、后處理簡便的計算程序尚不完善。采用上述幾種計算方法所得的計算結果并不相同,限于筆者水平,同時缺乏實測對比資料,筆者也不能認定哪一種計算方法更切合實際,但鑒于上述方法已用于實際工程中,筆者目前所做的只是對這些方法進行對比,進而求得進一步研究。2.2計算概念中存在的問題2.2.1強柱弱粱問題強柱弱梁問題,實際上是一個結構構件的抗震問題。目前地鐵設計中一般遵循的設計規(guī)范是鐵路工程抗震設計規(guī)范(GB11187、建筑抗震設計規(guī)范(GB50011-2001。其中建筑抗震設計規(guī)范是針對地上建筑的研究、歸納成果而制定。結構設計理論是以極限狀態(tài)法為基礎,由于地震作用機理對地

14、上結構和地下結構是不相同的,照搬此規(guī)范用于地鐵設計是非常有局限性的,尤其對于暗挖施工和覆土厚度較大的地下結構,地震時結構會受到地層的強大約束,震害明顯輕于地上建筑,無論用底部剪力法還是時程分析法都無法真實地反映出地震作用下結構與地層的相互作用。鐵路工程抗震設計規(guī)范(GB11l一87自1987年以來沒有進行修編,采用容許應力法進行結構設計。地震發(fā)生時,結構及其上部覆蓋層產生與地表地震加速度成比例的慣性力,同時地震引起主動側壓力的增量,滿足此種工況的條件必須是結構單位體積的重量(含結構凈空在內大于圍巖的比重。但由于地鐵結構內凈空較大,結構單位體積的重量小于圍巖的比重,地震發(fā)生時,結構與圍巖幾乎一同

15、變形,采用上述理論也是難于反映真實的地震作用,同時該規(guī)范在地下結構構造上也沒有明確的要求。根據(jù)一般的地面建筑的概念,為增加框架柱的延性,結構往往設計成強柱弱梁的體系,根據(jù)結構類型第二部分城市軌道交通綜合規(guī)劃與設計183和抗震等級,框架柱的軸壓比都受到嚴格的限制,其箍筋的體積配箍率也有明確的規(guī)定。而地下結構由于覆土較大,導致框架柱承受的荷載較大,為滿足承載和限界的要求,往往設計成強梁弱柱的結構體系,由于規(guī)范中對地下結構的抗震等級沒有給出統(tǒng)一的要求。這就有可能在設計中忽略弱柱問題,使框架柱成為地震中的薄弱環(huán)節(jié),而形成箱體的梁、板、墻縱向剛度較大,延性好,具有較強的抗震能力。日本的一些地震工程實例中

16、,地鐵結構產生的破壞也往往是柱的脆性破壞,因此設計中必須重視框架柱的抗震問題,必須提高其延性和承載能力。2.2.2計算跨度問題對于板和梁的計算跨度,大多數(shù)設計人員采用的是支撐點中心到中心的距離,再考慮剛域的影響。實際上,地鐵車站的縱梁都是多跨連續(xù)梁結構,按照一般計算方法,縱梁的計算跨度應取凈跨+支撐長度或取I.05倍凈跨,并取其中的較小值用于計、/r 、.、WL沙W7,/k,、一、一l/j/孫爪貳y、y,算。由于地鐵框架柱的縱向尺寸一般較大(一般為0.81.2m,柱的縱向間距一般為68m,以柱縱向尺寸為0.9m,柱的縱向間距為8m為例,其計算長度應取8m與7.455m(1.05×7.

17、1中的較小者,即取7.455m作為計算長度,如果計算跨度按照中心到中心即8m計算,其彎距值將增大82,/7.45521一o.15倍,這樣就會導致梁的尺寸偏大或配筋量偏多,同樣的問題也會出現(xiàn)在板上。2.2.3斜托的影響為減小板厚,增加板支點處的抗沖切能力,設計時一般在板下部設有斜托,實際計算中往往會忽略斜托的剛度影響及其產生的拱效應。這從圖11圖13的結果中就可以看出:考慮斜托厚度及其拱效應的計算結果最小(見圖13,而僅考慮斜托厚度不考慮其拱效應的計算結果(見圖12比既不考慮斜托又不考慮拱效應的計算結果(見圖11的負彎距偏大,正彎距偏小。這說明設計中斜托的作用是不能忽視的。、彳、WV W 7Jk

18、L一_/。L一/們、爪/廣ny 、,、圈11不考慮斜托厚度及箕拱效應圉12考慮斜托厚度。不考慮拱效應2.3變形縫的設置地鐵車站往往較長,其下部地基可能不均勻,或者車站縱向結構形式變化,或者上部荷載的變化等,都可能造成地基的不均勻沉降;另外,大體積混凝土結構的澆筑以及混凝土自身因溫度的收縮膨脹、徐變等問題可引起結構的縱向變形。如果沿縱向不設置變形縫,結構就可能沿環(huán)向開裂,重者導致結構漏水,輕者結構表面會出現(xiàn)大量裂紋。如果設置變形縫,縫的兩側就有可能產生影響行車安全的差異沉降,尤其對置于軟弱地基上的的結構,縫的設置更應慎重。目前南方地區(qū)一些地鐵車站要求不設縫,其結果是結構完成后許多車站會發(fā)生環(huán)向裂

19、縫,形成漏水現(xiàn)象。如果單靠加大縱向配筋還不能完全解決這個問題,因為普通鋼筋要發(fā)揮作用是在混凝±受力變形之后(裂縫出現(xiàn)時鋼筋應力可能只有4060MPa,因此變形縫的設置問題將是一個直接影響工程質量或工程安全的問題,是一個需要進一步研究和認真對待的問題。環(huán)境中的地鐵結構的耐久性問題，依然不能找到答 案如何進行設計，當然，地鐵結構的耐久性問題已 經(jīng)不是一個簡單的結構問題，而是涉及到材料問 題、巖土問題、力學問題等的大課題，需要進行大 量的總結與研究。 結 語 修建地鐵已成為大城市解決交通問題的必經(jīng)之 路，而目前的地下鐵道設計規(guī)范，在結構設計 理論方面顯得較為籠統(tǒng)，又沒有相應的構造規(guī)定， 使

20、得設計人員針對具體工程從理論上難于操作，或 者由于設計人員自身的經(jīng)驗、理論水平、對工程理 解的差異，可能會造成設計成果的混亂，甚至錯 圖考慮斜托厚度及其拱效應 誤，這樣有可能造成不必要的浪費或潛在的災難， 對于動輒投資上億的地鐵車站，其直接損失和間接 損失（可能引起周邊地區(qū)建筑物的開裂、傾斜、沉 陷甚至破壞）都是不容忽視的。由于筆者水平所 限，本文主要對設計理論方面進行了一些分析和比 較，認為：對于一般只設縱梁的地鐵車站，采用 傳統(tǒng)的橫斷面計算法是不夠合理的，該法忽略了板 與梁的協(xié)同工作及兩者相對剮度對內力的影響，忽 略了縱梁兩側板的縱向彎距，也忽略了支座處和非 支座處板橫向受力的差異；對于橫

21、斷面計算法， 應該考慮斷面中設置的斜托引起結構受力的改變， 并應考慮斜托的拱效應；對于地鐵結構的抗震閥 題，重點要提高框架柱的抗震能力，提高其延性和 系載能力。 地鐵耐久性問題 根據(jù)新的地鐵規(guī)范，地鐵主體工程設計使用年 限為年，地鐵工程一旦整體出現(xiàn)結構問題，靠 維修是不能解決問題的。一棟樓出現(xiàn)安全問題可以 炸掉重做，其損失是局部的，而一條位于地下的地 鐵線，重新修過可能比新建還難，因為其上面載有 各種市政管線、通道天橋及繁忙的道路橋梁，兩側 可能還有林立的高層建筑，地鐵與這些建（構）筑 物已經(jīng)形成既獨立又關聯(lián)的聯(lián)合體，或者已成為這 些建（構）筑物的主動脈。目前，對于地鐵結構的 耐久性問題，規(guī)范

22、中的規(guī)定尚不健全或不完全能滿 足設計人員的使用要求，僅對于一類、二類環(huán)境 中結構的耐久性做出了規(guī)定，而對位于二類以下 （ ，） ： ， ， ， ， ， ： ； ； 地鐵車站結構設計中存在的問題 作者： 作者單位： 惠麗萍， 王良 北京城建設計研究總院有限責任公司 相似文獻(10條 1.期刊論文 周小華 地鐵車站箱形結構計算淺析 -鐵道建筑技術2003,""(2 通過對地鐵車站箱形結構的平面計算方法、空間計算方法的分析,提出了有關箱形結構計算的若干看法. 2.期刊論文 伊興芳.張春雷 城市地鐵車站結構設計 -甘肅科技2009,25(2 針對上海市軌道交通12號線某地鐵車站,運

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25、5 以某典型中庭式地鐵車站為研究對象,對地下車站的計算方法、結構形式的選擇進行有針對性的研究,其研究成果直接為工程服務,并為今后中庭式地下車站的修建提供參考數(shù)據(jù). 7.學位論文 郭孝平 廣州地鐵如意坊站明暗挖結合施工技術研究 2008 在大城市中，受地面交通和建筑物的影響，車站施工采用明挖法難度很大，交通組織困難，采用暗挖法則能解決這些問題。但是，其技術難度和施工難度加大，經(jīng)濟指標也加大。而采用明暗挖結合的方法，則可根據(jù)站位的具體情況，通過明挖和暗挖部分相對靈活的布置，既可方便現(xiàn)場組織，降低施工難度，又可降低工程造價。 本文以廣州地鐵六號線如意坊站工程為例，詳細介紹了地鐵車站明暗挖結合施工技術的應用。首先根據(jù)如意坊站站位的實際情況，以及對地鐵施工常用方法的比較，提出了明暗挖結合施工的方案，并對此方案進行了必要的結構計算，為明挖和暗挖的施工支護方案提供了理論基礎。其次介紹了明挖基坑地下連續(xù)墻支護結構、明挖基坑土石方開挖和基坑支