地铁车站结构设计

1、 长沙五一广场地铁车站及区间隧道初步设计地铁车站结构设计 车站是旅客上、下车的集散地, 也是列车始发和折返的场所, 是地下铁道路网中的重要建筑。 在使用方面, 车站供旅客乘降, 是旅客集中处所, 故应保证使用方便、安全、迅速进出车站。为此, 要求车站有良好的通风、照明、卫生设备, 以提供旅客正常的清洁卫生环境。 地下铁道车站又是一种宏伟的建筑物, 它是城市建筑艺术整体的一个有机部分, 一条线路中各站在结构或建筑艺术上都应有独特的特点。 车站设计时, 首先要确定车站在现有城市路网中的确切位置, 这涉及到城市规范和现有地面建筑状况, 地下铁道车站不比地面建筑, 一但修建要改移位置则比较困难, 因此

2、确定车站的位置时,必须详细调查研究, 作经济技术比较。车站位置确定后, 进行选型, 然后根据客流及其特点确定车站规模, 平面位置,断面结构形式等。然后进行车站构造设计, 内力计算, 配筋计算等等。一、 工程概况：长沙市五一广场站设计为两层三跨岛式车站，车站全长134.6m，宽度为21.8m，上层为站厅层，下层为站台层。车站底板埋深16m，采用明挖法施工，用地下连续墙围护。二、设计依据：地铁设计规范（gb50157-2003）；地铁施工技术规范。三、地铁车站结构设计3.1 设计选用矩形框架结构。设计为岛式车站，采用两层三跨结构。地铁车站采用明挖法。车站其矩形框架由底板、侧墙、顶板和楼板、梁、柱组

3、合而成。顶板和楼板采用单向板，底板按受力和功能要求，采用以纵梁和侧墙为支承的梁式板结构。采用地下连续墙和钻孔桩护壁，采用钢管和钢板桩作基坑的临时支护。临时立柱采用钢管混凝土，柱下基础采用桩基，桩基采用灌注桩。3.2 车站开挖围护结构地铁车站围护结构采用0.8m厚、30m深地下连续墙，入土深度比为=0.875，其中基坑开挖深度h 为16m，入土深度d为14m 。四、侧压力计算：土分层及土的钻孔柱状图如图4.1：图4.1土分层及土的钻孔柱状图（单位，m）计算主动土压力： 其中 主动土压力 主动土压力系数 沙土的容重 z土层的深度 c土的黏聚力 各层土压力系数： ： ： ： ：各层土压力：a ： b

4、 ： =0.41×13.2×6.5=35.2 kpa 0.33×13.2×6.5=28.3 kpac ： 0.33×(13.2×6.5 + 19.8×2.0)=41.4 kpa 0.31×(13.2×6.5 + 19.8×2.0)=38.9 kpad ：0.31×(13.2×6.5 + 19.8×2.0 + 26.7×9)=113.4 kpa ×(13.2×6.5 + 19.8×2.0 + 26.7×9)=95.1

5、kpae ：×(13.2×6.5 + 19.8×2.0 + 26.7×9 + 26.5×1.2)=103.5 kpa 0.22×(13.2×6.5 + 19.8×2.0 + 26.7×9 + 26.5×1.2)=87.6 kpaf ：0.22×(13.2×6.5 + 19.8×2.0 + 26.7×9.0 + 26.5×1.2 + 27×11.3)=154.7 kpa由于黏聚力c = 0 ,所以临界深度为0 。其主动土压力(水土和算)分

6、布图如图4.2所示： 图4.2土压力分布图（单位，m）简化计算：沙土层 的平均直如下： = kpac = 0 五、车站结构分析计算： 5.1 车站框架设计 车站站台建筑设计长度为134600mm , 车站宽度21800 mm，站台层净高4200 mm， 站厅层净高5600 mm , 站台至轨道净高2000 mm，顶板厚800 mm，中板厚400 mm 车站基础厚1000 mm, 车站总高12000 mm。车站框架设计图如图5.1所示：图5.1车站框架设计图（单位：mm） 5.2受力分析： 顶板荷载计算 线荷载： 20mm厚水泥沙浆面层： 0.02×20 = 0.4 kn/800mm钢

7、筋混凝土板： 0.8×25 = 20 kn/ 20 mm厚沙浆抹灰： 0.02×17 = 0.34 kn/上部填土荷载(从地下4m开始开挖)： 4×13.2 = 52.8 kn/ 总荷载： 73.54 kn/线恒荷载设计值(取1m宽度)： g = 1×1.2×73.54 =88.248 kn.m/m地面活荷载： q = 20 kn/地面活荷载设计值(取1m宽度)： q = 20×1.4 =28 kn.m/m总的线荷载： g + q = 110.248 + 28 =110.248 kn.m/m 中板荷载计算 恒载： 20mm厚水泥沙浆面

8、层： 0.02×20 = 0.4 kn/ 400mm钢筋混凝土板： 0.4×25 = 10 kn/ 20 mm厚沙浆抹灰： 0.02×17 = 0.34 kn/ 总荷载： 10.74 kn/ 线恒荷载设计值(取1m宽度)： g = 1.2× 10.74×1 = 13.0 kn.m/m 楼面荷载： 10.0 kn/ 线活荷载设计值(取1m宽度)：1×1.4×10 = 14 kn/ 线活荷载总设计值： g + q = 27 kn.m/m 车站横向荷载为土压力 , 取1m 宽度进行计算 ,受力分析如图5.2所示： 图5.2 车站框

9、架受力简图（单位：m）等效简化荷载： (kn.m/m) (kn.m/m)等效简化荷载受力分析如图5.3说示： 图5.3车站框架等效简化后受力图（单位：m）六、横向框架内力计算： 计算简图如图6.1所示：图6.1竖向均布荷载作用下的横向框架计算简图 第一层杆件计算由于对称性, 可取半结构进行计算, 计算图如图6.2所示：图6.2 站厅层半结构受力简图=-483.0 注：铰支座传递系数为1.0；固定端传递系数为0.5，滑动支座传递系数为-1.0，假定材料均匀，线刚度与杆件成反比，为分配系数。由力矩分配法计算结果如图6.3：图6.3 站厅层半结构计算结果 第二层杆件计算 同取半结构进行分析计算如图6

10、.4：图6.4站台层半结构受力计算简图 = 计算结果如图6.5所示:图6.5站台层半结构受力计算结果 （单位:）由站厅层和站台层受力图画弯矩图，竖向均布荷载作用下的横向框架弯矩图如图6.6所示：图6.6竖向均布荷载作用下的横向框架弯矩图6.6 （单位:）竖向均布荷载(土压力等效简化后)作用下的横向框架计算；同样的取半结构计算, 计算简图如图6.7所示： 计算结果如图6.8所示: 图6.8 横向均布荷载作用下的横向半框架计算结果 （单位:）将竖向荷载和横向荷载作用下的弯矩叠加，弯矩图如图6.9所示：图6.9竖向荷载和横向荷载作用下的弯矩叠加的弯矩图 （单位:）七、车站配筋计算： 7.1 站厅层顶

11、板配筋计算 , 取b=1000mm , (按单排布筋考虑), 由图6.9 知：站厅层顶板的边跨跨中弯矩, 中间跨支座弯, 中间跨跨中弯矩, 站厅层顶板配筋计算如下表7-1示：表7-1站厅层顶板配筋计算：截面位置边跨跨中中间跨支座中间跨跨中482543.47197.20.0580.0650.0240.970.9660.98821702452870实配钢筋（）20024542002454200942图7.1站厅层顶板配筋图 7.2站台层中板配筋计算 b=1000mm , 由图6.9知：中板的边跨跨中弯矩 , 中间跨支座, 中间跨跨中弯矩 , 站台层中板配筋计算表如表7-2所示：表7-2站台层中板配

12、筋计算表截面位置边跨跨中中间跨支座中间跨跨中70.5121.064.70.0370.0640.0340.9820.9670.9836561143602实配钢筋（）2007602001520200760图7.2站台层顶板配筋图7.3站厅层顶板次、主梁配筋计算(1) 站厅层次梁配筋计算： 次梁截面尺寸 b×h= 600×1200mm l=7260mm 荷载计算恒载由板传来： 88.248×2.5 = 220.6 kn/m次梁自重：2×25×0.6×(1.2-0.8)=12 kn/m次梁抹灰： 17×0.02×(1.2-

13、0.8) ×2= 0.027 kn/m总恒荷载： g = 232.627kn/m活荷载： q=28×2.5=70 kn/m总荷载： g + q =302.7 kn/m 内力计算主梁尺寸：b×h=800mm×1600计算跨度： 边跨 中间跨 由跨度差 < 10故可按等跨连续梁计算。次梁计算简图如图7.3所示：图7.3 站厅层顶板次梁计算简图 (单位:mm)连续次梁弯矩计算如下表7-3所示：表7-3 站厅层顶板次梁弯矩计算截面位置弯矩系数边跨跨中b支座中间跨跨中次梁的剪力计算如表7-4表7-4 站厅层顶板次梁剪力计算截面位置弯矩系数边支座0.40.4&

14、#215;302.7×7.26=879b支座（左）0.60.6×302.7×7.26=1318.6b支座（右）0.50.5×302.7×7.26=1098.8中间c支座0.50.5×302.7×7.26=1098.8站厅层顶板次梁正截面承载力计算次梁跨中截面按t型截面计算，其翼缘宽度为：边跨： 中跨： h=1200mm, =1200mm-35mm=1165mm >1450.4kn/故次梁跨中截面均按第一类t型截面计算。 =11.9 站厅层顶板次梁正截面配筋计算如表7-5：表7-5站厅层顶板次梁正截面配筋计算截面位置（）

15、实配钢筋（）边跨中1450.430200.0340.03042574826b支座-1450.46000.1240间跨中997.230200.0240.02027923217c支座997.26000.0850.1033882 4021其中 均小于0.35，符合塑性内力重分布的情况。=>0.2及所以截面合适！ 站厅层顶板次梁斜截面受剪承载力计算, , =11.9 ，=11.9 ， , ， 截面合适斜截面配筋计算如表7-6：表7-6站厅层顶板次梁斜截面配筋计算截面位置v（kn）（kn）实配钢筋（）边支座a879b支座(左1318.6b支座(右)1098.8中间c支座1

16、098.8(2)站厅层顶板主梁配筋计算截面尺寸:b×h = 800mm×1600mm l=7500mm主梁按弹性理论计算:主梁线刚度 : 柱线刚度 : 主梁的实际刚度为单独梁的2倍.所以 故主梁视为铰支在柱顶上的连续梁, 其计算简图如图7.4所示: 图7.4站厅层顶板主梁配筋计算简图(单位:mm) 荷载计算恒载:由次梁传来 : 232.73kn.m×7.5m=1745.2kn主梁自重 : 25×0.4×(1.6-0.8) ×2.5=20kn主梁侧抹灰 : 0.65kn恒载标准值：(1745.5+20+0.65)=1766.2kn恒载设

17、计值 : g=1766.2×1.2=2119.4kn活荷载标准值 : 70×2.5=525kn活荷载设计值: q=525×1.4=682.5kn 内力计算计算边跨 : 中间跨 : 由跨度差<10 , 可按等跨连续梁计算所以 , 站厅层主梁弯矩和剪力计算结果如表7-7所示: 表7-7 站厅层顶板主梁弯矩和剪力计算项次荷载简图弯矩（）剪力（kn）边跨跨中b支座中间跨跨中a支座b支座0.2440.155-0.2670.0670.0670.733-1.2671.0003878.52464-42441065106515542685.32119.40.2890.244-

18、0.133-0.133-0.1330.866-1.134014991265.6-689.9-689.9-689.9591.0774.00-0.044-0.089-0.1330.2000.200-0.133-0.1331.000-228.2-461.4-680.81023.81023.8-90.77-90.77682.50.2290.125-0.3110.0960.1700.689-1.3111.222118.78648.38-1592.0491.4870.0472.0894834-0.030-0.059-0.0890.1700.096-0.089-0.0890.778-155.6-306.0-

19、455.6870491.6-60.7460.74531.0内力不利组合+5377.53729.6-4933.9375.137521453459.32119.4+3650.32002.9-4924.92088.82088.81463.232494.52801.9+3997.33112.85836.01556.4193520163579.32953.4+3722.92158-4699.619351556.41493.262624.62650.4站厅层顶板主梁弯矩包络图如图7.5所示：图7.5 站厅层顶板主梁弯矩包络图站厅层顶板主梁配筋1） 正截面承载力计算主梁跨中截面按t型截面计算，其翼缘宽度为：

20、 判别t型截面类型, 按第一类t型截面试算,跨内截面站厅层顶板主梁正截面配筋计算结果如表7-8所示:表7-8 站厅层主梁正截面配筋计算截面位置（）实配钢筋（）边跨中5377.525000.0780.08112209.41612868b支座3729.68000.0280.0284331.664826中间跨跨中5836.025000.0800.0831284016128682） 主梁斜截面受剪承载力计算， 0.25×11.9×800×1560=3712.8>3579.3 ，截面合适站厅层顶板主梁斜截面受剪承载力配筋计算如表7-9：表7-9 站厅层主梁斜截面受剪承

21、载力配筋计算截面位置v（kn）实配钢筋（）边支座a2145251b支座(左)3579.3 251b支座(右)2953.42517.4 站台层次、主梁配筋计算1)站台层次梁配筋计算：荷载计算截面尺寸：b×h=600mm×800mm , l=7500mm站台层顶板次梁计算简图如图7.6所示： 图.站台层顶板次梁计算简图（单位：mm） 由板传来：10.74×7.26=78.0 kn/m次梁自重 : 0.6×(0.8-0.4) ×25 = 6.0 kn/m梁侧抹灰 :17×0.02×(0.8-0.4) ×2.4×

22、2=0.65 kn/m g = 84.65 kn/m活荷载 p = 27 kn q = 1.2×84.65 + 1.4×2.7 = 139.38 kn/m 内力计算(只对次梁正截面内力计算和配筋, 斜截面内力计算和配筋省略,方法跟步骤同顶板次梁计算和配筋) 。站台层顶板次梁内力计算及配筋如表7-10所示: 表7-10站台层顶板次梁内力计算及配筋计算截面位置边跨中离端第二支座中间跨中中间支座l(m)6.06.06.06.0667.9-667.9459.2524.7b () (mm)250070025007000.0240.0860.0160.0670.0240.0860.01

23、60.0691820.71911.71213.81423.2实配钢筋424634246331847318472)站台层顶板主梁配筋计算主梁尺寸：，按弹性理论计算：主梁线刚度： 柱线刚度： 考虑现浇楼板的作用，主梁的实际刚度为单独梁的2倍。所以 ：故主梁视为铰支在拄顶上的连续梁。站台层顶板主梁计算简图如图7.7所示：图7.7 站台层顶板主梁计算简图 计算荷载恒载：由次梁传 84.65×7.5 = 634.9 kn 主梁自重 25×0.6×(1-0.4) ×2.5=22.5 kn 主梁侧抹灰 恒载标准值： 658.05 kn恒载设计值： g=658.05&#

24、215;1.2=790.0 kn活载标准值： 144 kn活载设计值： 内力计算计算跨度： 边跨 中间跨跨度差=故按等连续梁计算。站台层顶板主梁弯矩和剪力计算结果如表7-11所示：表7-11 站台层顶板主梁弯矩和剪力计算项次荷载简图弯矩（）剪力（kn）边跨跨中b支座中间跨跨中a支座b支座0.2440.155-0.2670.0670.0670.733-1.2671.0001465.0930.6-1582.0397.0397.0579.1-1001.0790.00.2890.244-0.133-0.133-0.1330.866-1.1340411.2347.1-186.7-186.7-186.71

25、62.1-212.30-0.044-0.089-0.1330.2000.200-0.133-0.1331.000-62.6-126.6-186.7280.8280.8-25.0-25.0187.20.2290.125-0.3110.0960.1700.689-1.3111.222425.4177.8-436.6134.8238.7129.0-245.4228.8-0.030-0.059-0.0890.1700.096-0.089-0.0890.778-42.7-83.95-125.0238.7134.8-16.7-16.7145.6 续表 7-11内力不利组合+1876.21277.1-176

26、8.7210.3210.3741.2-1213.3790.0+1402.4804-1768.7677.8677.8554.1-1026.4977.2+1890.41108.4-2018.6531.8635.7708.1-1017.71018.8+1422.3846.7-1707635.7531.85362.4-1256.3935.6站台层顶板主梁弯矩包络图如图7.8所示：7.8站台层顶板主梁弯矩包络图 站台层顶板主梁配筋主梁跨中截面按t型截面计算，其翼缘宽度为： 主梁跨中截面均按第一类t型截面计算。站台层顶板主梁正截面配筋计算如表7-12所示:表7-12 站台层顶板主梁正截面配筋计算截面位置（

27、）实配钢筋（）边跨中1890.425000.0690.071668616.3127390b支座2018.68000.230.02658073.0147390中间跨中1018.825000.0370.03773589.463695站台层顶板斜截面配筋(斜截面箍筋采用200略，计算方法和步骤同站厅层顶板相同。7.5 柱子配筋计算(1) 站厅层柱子配筋计算柱子设计为圆形柱子, 尺寸d=800mm , 混凝土 , 纵筋为hpb335级钢筋, 箍筋为hpb235级钢筋, 长细比符合。1) 柱子的设计参数n=3579.3kn混凝土保护层厚度25mm, (核心尺寸)设纵筋为 , 纵筋hpb335 , 箍筋2

28、35 2) 计算螺旋箍筋由其中为螺旋箍筋的面积故选用构造配筋, 选用100 7.9 站厅层柱子配筋图(2) 站台层柱子配筋计算配筋设计及方法同站厅层柱子配筋n = 3579.3+ 1246.4 =4825.7 kn其中为螺旋箍筋的面积故选用构造配筋, 选用100 7.10站台层柱子配筋图7.6 站台层底版配筋计算取7.5m宽的板带作为计算板带 , b= 7500mm , h= 1000mm , , 选用级混凝土 , 纵筋hpb335级钢筋荷载计算恒载:由柱子传来 : 水头差 : 10×(12.00 + 2.00) ×7.5=1048.5 kn/m底板自重 : 7.5

29、5;1.00×25 = 168.75 kn/m总恒载设计值 : 活荷载(人+ 刹车): 3.5 kn/m + 50 kn/m = 53.5 kn/m活荷载标准值 : =53.5 kn/m总荷载设计值 q = 站台层地板内力计算及配筋结果如表7-13所示:表7-13 站台层底板内力计算及配筋截面位置边跨中中间跨中中间支座跨度750075007500截面位置边跨中中间跨中中间支座11796.68110.9-10462.00.1790.1230.1580.9010.9340.91445011.030152.039744 续表 7-13截面位置边跨中中间跨中中间支座实配钢筋150460001

30、503201515046000八、车站施工方案的选择及其设计8.1 维护结构 根据工程类比 , 长沙市地铁五一广场站地下维护结构采用0.8m厚 地下连续墙 ,入土深度比为=0.875。 通过对坑底弯矩平衡计算 ,得出其中基坑开挖深度为16 m , 地下连续墙如土深度为14 m。8.2 开挖支撑系统均采用609钢管作为主支撑 , 支撑水平以每幅地下墙(宽6 m) 设置两根为原则 , 对水平间距6 m/2 m 间距布置, 为减少墙体在基坑开挖时位移过大 , 对钢管支撑时施加预应力, 其值按设计值的70控制 。 根据建筑基坑工程技术规范s(yb9258-9) ： 则得出h=6.08m 取h= 6.0

31、m所以: =6.0m =4.8m =2.7m =2.5m地下连续墙支撑系统分布图如图8.1所示： 8.1支撑分布图(单位：m)支撑反力计算：支撑反力计算公式：r=8.3基坑稳定性验算：按上海基坑工程的抗隆起稳定性计算公式 式中-抗隆起力矩假设滑动面通过墙底 , 并以最下道支撑锚定点作为转动中心,如图8.2基坑抗隆起计算示意图所示：图8.2 基坑抗隆起验算简图由计算公式： =14× =94801.0kn 其中 =121055.0 kn = 94801.0×0.31×0.625+121055.0×0.625 =94006 kn = 45903.2 kn得出

32、： ， （1.72.5） 符合 。8.4 抗管涌稳定性验算 当符合下列条件时 ，基坑不会发生管涌 图8.3 抗管涌及流沙稳定性计算简图式中： -水力坡度， -临界水力坡度， 坑底岩性为风化页岩，=2.7 ，e=0.85 所以而所以满足要求。8.4 抗倾覆稳定性验算 这里采用绕最后一道钢管支撑点的整体失稳方法进行验算 图8.4 抗倾覆稳定性验算计算简图 （单位：m）由被动土压力系数=3.25 ，主动土压力系数=0.31墙底土主被动土压力大小分别计算结果如下:=3.25×14×23.42=1065.61 kpa=0.31×30×23.42=217.81 kp

33、a由被主动土压力产生里力矩分别如下：0.5×1065.61×14×（16.5-4.5）=88019.39 kn.m0.5×217.81×30×(16.5-10)=21236.48 kn.m抗倾覆稳定性安全系数： 所以 大于要求的f=1.5 所以满足要求。8.5车站施工阶段结构计算分析 根据多支撑板桩墙计算,多支撑板桩上的土压力分布形式与墙的位移有关,支撑的布置按等反力布置。 当 ,库仑土压力系数 最大的土压力强度连续墙的土压力分布如图8.5所示: 图8.5 连续墙土压力分布图(单位:m)四层支撑分别为a、b、c、d,墙下端支撑在基坑中

34、, 计算时取1m宽的连续墙进行计算。这里把土体看成是均匀的一层，其， c=0。假设连续墙上的支撑都为简支，计算简图如图8.6所示：图8.6支撑为简支的等反力分布计算简图（单位：m）1） 计算支撑荷载 对b点取矩，按 得：69.8×2.8+×69.8×3.2-117.57=189.55 kn = =×69.8×4.8=167.52 kn 对点取矩由 =0 得×2.7= ×69.8×2+ ×69.8×0.7×(2+×0.7)=124.36 kn.m=46.06 kn×69.8×0.7×+69.8×2-46.06=117.0