地铁车站结构设计中存在的问题

1、地铁车站结构设计中存在的问题惠丽萍王良(北京城建设计研究总院有限责任公司摘要:本文主要针对目前采用的地铁结构计算模式、计算方法进行了归纳.并引用实例对各种计算模式、汁算结果进行了对比。同时提出了地铁结构设计中存在的一些问题:地铁结构抗震问题与现状规范的不符之处、地铁结构变形缝设置问题、地铁结构耐久性问题及特殊性。关键词:地铁车站结构计算抗震变形缝耐久性1前言为解决城市交通问题,修建具有超强运力的地铁与轻轨,已逐渐成为大城市的首选手段。目前国内已经部分建成或正在修建地铁(或轻轨的城市有:北京、上海、天津、广州、深圳、大连、武汉、重庆、青岛等城市,正处在设计阶段的城市有:长春、沈阳、杭州、成都等城

2、市。地铁在城市发展中的经济效益和社会效益也是有目共睹的。但是对于以地下工程为主的地铁结构,在结构设计中由于岩土性质的复杂性、施工技术的多变性、设计理论的局限性,使我们的设计尚存在一些问题或不完善的地方,需要我们不断地探索、求解。2结构设计存在的问题2.1结构计算模式问题2.2.1地铁车站的结构形式由于使用功能的要求,大多数车站设计成沿横向24跨、纵向为多跨的长条结构,结构总宽度为2030m,总长度为170220m,沿高度大多分23层,结构内部只设纵梁不设横梁(或局部设有高度受到严格限制的横梁,其结构形式可定义为箱形框架结构。为不影响城市地下管网的设鬣,车站的上部往往有较厚的覆土(一般大于3m,

3、这样结构的基坑深度一般可达1520m,为抵抗水土压力、车辆荷载以及特殊荷载,结构的顶板、底板、边墙往往都较厚(一般为0.61.0m,顶梁、底粱的截面高度也很大(一般为1.62.2m,中间楼板由于要承受较大的设备荷载、人群荷载及装修荷载,其厚度也比一般的楼板厚许多(一般为0.3o.5m,这样就形成一座有巨大刚度的地下长条结构。2.2.2目前采用的设计理论(1横断面计算法:沿车站纵向截取单位长度的横断面结构,将墙、板假设成单位长度的梁单元,将框架柱按刚度或面积换算成单位长度的厚度,底板与地基间采用弹性假定,用竖向基床系数与底板单元长度的积作为地基弹簧刚度,用荷载一结构模型按有限元法进行内力计算,根

4、据不同的荷载组合得到结构的内力包络图。对于纵梁,则是根据通常的板梁柱传力方式,由板传给梁(或根据断面计算得到的单位长度支撑点的支点反力反算梁的荷载,形成梁的荷载,柱作为梁的支点,根据多跨连续梁结构进行梁的内力计算。此种方法是目前最通用的方法。(2空间梁系计算方法:取空间结构,将板、墙划分成较密的网格,用密集的梁单元代替这些板和墙,并与实际的梁、柱结构组成梁单元体系,荷载作用于节点上,用有限元法对整体结构体系进行内力计算分析。(3空间板系计算法:按照空间体系将结构进行网格划分,将板、墙、梁、柱按照各自的结构尺寸,采用4节点或8节点等参元划分成板单元,用有限元法进行结构内力分析计算。中国城市轨道交

5、通(2004(4空间梁板系计算法:按照空间体系将结构进行网格划分,将板、墙按照各自的厚度,采用4节点或8节点等参元划分成板单元,而梁柱依然采用梁单元框架体系,用混合元结构进行结构内力计算分析。2.2.3计算方法分析计算方法涉及的问题其实都是力学模型建立的问题,涉及的问题主要在于空间假定与平面假定,板单元、梁单元以及梁与板作为共同体的受力问题等,上述的几种计算方法都有其一定合理性,但又顶纵粱1000x1500陲鼯(余同l中结梁ll皇壁一I l,丽品¨伽T,Tl底绕梁l妊磊烈L、叩66506200665070l20900o I图1标准断面结构图(单位:mmq-=,90kN/m田匝匝卫皿P

6、l=36kN/mP2132kN/m主至至圭至至至至圭至至主主至K.=40000kN/m图3考虑斜托拱效应计算闰式(1横断面计算法是目前较多采用的一种计算方法,也是一种最简化的计算方法,其缺点是忽略了板的刚度对梁的受力影响,如果板较厚,或者板厚与梁高之比介于0.20.5之间,则板对梁纵向受力的影响是不容忽略的,实际上大多数地铁车站的板厚与梁高之比都介于这个范围,按横断面计算法的结果可能是板的横向弯矩偏大,而纵向弯矩被忽略掉了,同时忽略掉了板对梁的弯矩的分担,致使梁的计算弯矩过大,这会一2都有其局5R性。本文以某车站作为工程实例进行计算比较,结构计算假定条件为:顶板覆土3.6m,土层侧压力系数取0

7、.4,底板与地基的相互作用按照弹性地基假定,地基竖向基床系数取40000kN/m (为方便计算,对地层参数进行了简化,水土压力按合算形式,地层按均质地层,比重取20kN/m,地面超压按20kPa计算。结构断面见图l,横断面法计算图式见2、3,空间体系法计算图式见图4 (由于单元太多,计算中仅取顶板来说明问题。q290kN/m田田匝皿ei-36kN/m主至至圭至至至至主至至至至至K-纠10000kNhn图2不考虑斜托拱效应计算圈式圈4顶板按空间结构计算圈式导致板在某些部位(如柱边、梁边纵向配筋不足。另外,结构横剖面在梁的支座部位与梁的跨中部位,其受力情况也是有差异的,这在空间体系计算法的计算结果

8、图5图10中可以看出:不论跨中还是支座处,板中均有纵向弯矩,而且沿支座处的纵向弯矩(1-1剖面远远大于跨中处的纵向弯矩(2-2剖面,采用横断面计算法就无法计算板内沿纵向的弯矩。(2空间梁板系计算法,计算结果见图5和图第二部分城市轨道交通综合规划与设计6。图5、图6的区别仅是调整了板与梁的相对高度,按照工程实例的计算结果(图5,纵梁吸收的弯矩非常小,而板内弯矩却相对较大,而图6由于加大了梁的刚度,降低了板的刚度,纵梁吸收的弯矩迅速增加,板内弯距也相应下降,这说明图5的工况中板参与了梁的工作,而且起到了主要的作用。两种工况中,支座处的横向弯矩仅比纵向弯矩稍大,而跨中处的横向弯矩则较小,而且与横断面

9、计算法的计算结果相差极大,这说明设计时应该考虑梁与板的相对刚度及板受力的空间问题。卜硷呷毋呻鸪b卅k_一争。牝l-1剖面粱内弯矩-1剖面板内弯矩2-2剖面板内弯矩阻凹4k0口以k冒F卅3-3剖面板内弯矩4_4剖面板内弯矩圈5空间粱板系计算法按板单元+粱单元(板o.7m,1×1.5m1-l剖面粱内弯矩阻。盐。今。,。呸k。堙k。心。,4kI.I剖面板内弯矩肛,中置竹q,詈,口1r甜jk2-2剖面板内弯矩3-3剁面板内弯炬p、廿,匹口,墨q 4-4剖面板内弯矩田6空间粱板系计算法按板单元+粱单元(板05mt l×1.8m(3空间板系计算法,本算例将车站顶板按无梁等厚板处理,计算

10、结果(见图7表明,板在支座处两个方向的弯矩都较大,而跨中处两方向都较小,而且沿纵向的弯矩要大于沿横向的弯矩,结构受力状况接近于双向板无梁楼盖。此结果与图8按纯梁计算相比,虽然结构尺寸一致,但图8的结果要大于图7的结果。I.1剖面板内弯矩夸可,古飞F莒、口一暑,口1卜,f】k2-2剖面板内弯矩阻。k。垂。4险。一以3-3剖面板内弯矩4-4剖面板内弯矩圈7空闻体系计算法按纯板单元(板0.3m模式1.1剖面粱内弯矩k。噬、乎。卜。母、矿皆。4验2-2剖面粱内弯矩3-3剖面粱内弯矩4.4剖面粱内弯矩圈8空间体系计算法接纯粱单元(次梁X0.3m,主粱1×0.3m模式(4空间梁系计算方法,计算结

11、果见图8图10。图8图10在计算中仅是调整了粱与板的相对1-l剖面粱内弯矩k榔学、曾匐穸骨轧2-2剖面粱内弯矩卜町奎垂口43-3剖面粱内弯矩畦,嚣一4-4剖面梁内弯矩图9空间体系计算法按纯粱单元(次梁X0.3m,主粱1×1.5m模式182中国城市轨道交通(2004刚度,很明显:纵梁刚度愈大,其纵向弯矩也愈大,而跨中处的纵向弯矩及支座处的横向弯矩反而降低。这也说明梁与板是一个共同受力体,而且其相对刚度的变化对计算结果影响极大。善n藤氚流泳泳;愁身缝藤如如如尜;沁爿2-2剖面粱内弯矩口兽攀砻岬磊鲁。g兽?曝喾萍i靼3-3剖面粱内鹰炬4-4剖面粱舟学矩阵圈lo空间体系计算法按纯粱单元(次梁

12、1×0.5ITI.主梁l×18m模式从上述计算结果的分析中可以看出;采用横断面计算法虽然简单,但其结果的真实性同板与梁的相对刚度有着极大的关系,对于板厚较大的地铁车站,简单地采用此法进行结构计算是有缺陷的,它忽略了板沿纵向对弯矩的分配,在结构的横向,跨中与支座处的受力也有极大差异,这说明,地铁结构设计中,应考虑各构件的协同工作,并按照空间计算法,合理地调配梁板的相对刚度,使得设计更加符合结构真实的受力情况。当然,采用空间计算法,如果不借助于计算机和大型的计算程序,是很难实施的。目前能将岩土理论、板壳理论、中厚板理论、耦合理论、变形协调理论等有机结合起来,能够自动进行空间网格

13、划分、便于参数输入、计算结果较为合理、后处理简便的计算程序尚不完善。采用上述几种计算方法所得的计算结果并不相同,限于笔者水平,同时缺乏实测对比资料,笔者也不能认定哪一种计算方法更切合实际,但鉴于上述方法已用于实际工程中,笔者目前所做的只是对这些方法进行对比,进而求得进一步研究。2.2计算概念中存在的问题2.2.1强柱弱粱问题强柱弱梁问题,实际上是一个结构构件的抗震问题。目前地铁设计中一般遵循的设计规范是铁路工程抗震设计规范(GB11187、建筑抗震设计规范(GB50011-2001。其中建筑抗震设计规范是针对地上建筑的研究、归纳成果而制定。结构设计理论是以极限状态法为基础,由于地震作用机理对地

14、上结构和地下结构是不相同的,照搬此规范用于地铁设计是非常有局限性的,尤其对于暗挖施工和覆土厚度较大的地下结构,地震时结构会受到地层的强大约束,震害明显轻于地上建筑,无论用底部剪力法还是时程分析法都无法真实地反映出地震作用下结构与地层的相互作用。铁路工程抗震设计规范(GB11l一87自1987年以来没有进行修编,采用容许应力法进行结构设计。地震发生时,结构及其上部覆盖层产生与地表地震加速度成比例的惯性力,同时地震引起主动侧压力的增量,满足此种工况的条件必须是结构单位体积的重量(含结构净空在内大于围岩的比重。但由于地铁结构内净空较大,结构单位体积的重量小于围岩的比重,地震发生时,结构与围岩几乎一同

15、变形,采用上述理论也是难于反映真实的地震作用,同时该规范在地下结构构造上也没有明确的要求。根据一般的地面建筑的概念,为增加框架柱的延性,结构往往设计成强柱弱梁的体系,根据结构类型第二部分城市轨道交通综合规划与设计183和抗震等级,框架柱的轴压比都受到严格的限制,其箍筋的体积配箍率也有明确的规定。而地下结构由于覆土较大,导致框架柱承受的荷载较大,为满足承载和限界的要求,往往设计成强梁弱柱的结构体系,由于规范中对地下结构的抗震等级没有给出统一的要求。这就有可能在设计中忽略弱柱问题,使框架柱成为地震中的薄弱环节,而形成箱体的梁、板、墙纵向刚度较大,延性好,具有较强的抗震能力。日本的一些地震工程实例中

16、,地铁结构产生的破坏也往往是柱的脆性破坏,因此设计中必须重视框架柱的抗震问题,必须提高其延性和承载能力。2.2.2计算跨度问题对于板和梁的计算跨度,大多数设计人员采用的是支撑点中心到中心的距离,再考虑刚域的影响。实际上,地铁车站的纵梁都是多跨连续梁结构,按照一般计算方法,纵梁的计算跨度应取净跨+支撑长度或取I.05倍净跨,并取其中的较小值用于计、/r 、.、WL沙W7,/k,、一、一l/j/孙爪贰y、y,算。由于地铁框架柱的纵向尺寸一般较大(一般为0.81.2m,柱的纵向间距一般为68m,以柱纵向尺寸为0.9m,柱的纵向间距为8m为例,其计算长度应取8m与7.455m(1.05×7.

17、1中的较小者,即取7.455m作为计算长度,如果计算跨度按照中心到中心即8m计算,其弯距值将增大82,/7.45521一o.15倍,这样就会导致梁的尺寸偏大或配筋量偏多,同样的问题也会出现在板上。2.2.3斜托的影响为减小板厚,增加板支点处的抗冲切能力,设计时一般在板下部设有斜托,实际计算中往往会忽略斜托的刚度影响及其产生的拱效应。这从图11图13的结果中就可以看出:考虑斜托厚度及其拱效应的计算结果最小(见图13,而仅考虑斜托厚度不考虑其拱效应的计算结果(见图12比既不考虑斜托又不考虑拱效应的计算结果(见图11的负弯距偏大,正弯距偏小。这说明设计中斜托的作用是不能忽视的。、彳、WV W 7Jk

18、L一_/。L一/们、爪/广ny 、,、圈11不考虑斜托厚度及箕拱效应圉12考虑斜托厚度。不考虑拱效应2.3变形缝的设置地铁车站往往较长,其下部地基可能不均匀,或者车站纵向结构形式变化,或者上部荷载的变化等,都可能造成地基的不均匀沉降;另外,大体积混凝土结构的浇筑以及混凝土自身因温度的收缩膨胀、徐变等问题可引起结构的纵向变形。如果沿纵向不设置变形缝,结构就可能沿环向开裂,重者导致结构漏水,轻者结构表面会出现大量裂纹。如果设置变形缝,缝的两侧就有可能产生影响行车安全的差异沉降,尤其对置于软弱地基上的的结构,缝的设置更应慎重。目前南方地区一些地铁车站要求不设缝,其结果是结构完成后许多车站会发生环向裂

19、缝,形成漏水现象。如果单靠加大纵向配筋还不能完全解决这个问题,因为普通钢筋要发挥作用是在混凝±受力变形之后(裂缝出现时钢筋应力可能只有4060MPa,因此变形缝的设置问题将是一个直接影响工程质量或工程安全的问题,是一个需要进一步研究和认真对待的问题。环境中的地铁结构的耐久性问题，依然不能找到答 案如何进行设计，当然，地铁结构的耐久性问题已 经不是一个简单的结构问题，而是涉及到材料问 题、岩土问题、力学问题等的大课题，需要进行大 量的总结与研究。 结 语 修建地铁已成为大城市解决交通问题的必经之 路，而目前的地下铁道设计规范，在结构设计 理论方面显得较为笼统，又没有相应的构造规定， 使

20、得设计人员针对具体工程从理论上难于操作，或 者由于设计人员自身的经验、理论水平、对工程理 解的差异，可能会造成设计成果的混乱，甚至错 图考虑斜托厚度及其拱效应 误，这样有可能造成不必要的浪费或潜在的灾难， 对于动辄投资上亿的地铁车站，其直接损失和间接 损失（可能引起周边地区建筑物的开裂、倾斜、沉 陷甚至破坏）都是不容忽视的。由于笔者水平所 限，本文主要对设计理论方面进行了一些分析和比 较，认为：对于一般只设纵梁的地铁车站，采用 传统的横断面计算法是不够合理的，该法忽略了板 与梁的协同工作及两者相对剐度对内力的影响，忽 略了纵梁两侧板的纵向弯距，也忽略了支座处和非 支座处板横向受力的差异；对于横

21、断面计算法， 应该考虑断面中设置的斜托引起结构受力的改变， 并应考虑斜托的拱效应；对于地铁结构的抗震阀 题，重点要提高框架柱的抗震能力，提高其延性和 系载能力。 地铁耐久性问题 根据新的地铁规范，地铁主体工程设计使用年 限为年，地铁工程一旦整体出现结构问题，靠 维修是不能解决问题的。一栋楼出现安全问题可以 炸掉重做，其损失是局部的，而一条位于地下的地 铁线，重新修过可能比新建还难，因为其上面载有 各种市政管线、通道天桥及繁忙的道路桥梁，两侧 可能还有林立的高层建筑，地铁与这些建（构）筑 物已经形成既独立又关联的联合体，或者已成为这 些建（构）筑物的主动脉。目前，对于地铁结构的 耐久性问题，规范

22、中的规定尚不健全或不完全能满 足设计人员的使用要求，仅对于一类、二类环境 中结构的耐久性做出了规定，而对位于二类以下 （ ，） ： ， ， ， ， ， ： ； ； 地铁车站结构设计中存在的问题 作者： 作者单位： 惠丽萍， 王良 北京城建设计研究总院有限责任公司 相似文献(10条 1.期刊论文 周小华 地铁车站箱形结构计算浅析 -铁道建筑技术2003,""(2 通过对地铁车站箱形结构的平面计算方法、空间计算方法的分析,提出了有关箱形结构计算的若干看法. 2.期刊论文 伊兴芳.张春雷 城市地铁车站结构设计 -甘肃科技2009,25(2 针对上海市轨道交通12号线某地铁车站,运

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