地铁车站结构设计方向展望

1、【摘 要】针对城市地铁发展对结构设计的新要求，提出地铁车站结构设计的几个发展方向，包括采用空间计算分析模型，使用型钢（钢管）混凝土结构体系、拱形结构体系，引入预应力结构体系等。【关键词】地铁车站 结构设计 空间模型 型钢（钢管）混凝土结构 拱形结构 预应力结构 随着我国经济的发展，城市道路交通拥堵情况更加严重，加快地铁建设、缓解交通压力的呼声高涨。我国城市的地铁建设，已经逐步在全国各大城市全面展开。 伦敦、巴黎、纽约、香港等城市，地铁网络十分发达，地铁线网换乘节点多，市民采用地铁交通经济快捷，极大缓解地面交通压力。例如，巴黎市中心地铁车站密集，每 500m范围就有一个地铁出入口，乘坐地铁十分便

2、捷。香港地铁在繁华地段，采用相邻双站换乘形式，可以使乘客在两条地铁线间的两车站上下行方向，分别实现同站台直接换乘，减少换乘的时间，缩短乘客换乘距离，减少人流干扰。 借鉴发达国家及香港地铁建设的经验，对我国地铁建设的发展有利。我国较早开始地铁建设及运营的北京、上海及广州地区的实际经验也证明，地铁在城市中与各类交通形式结合并形成有效的网络后，其高效能才能充分体现。1地铁建设对结构设计的新要求 我国近年来地铁建设不断提速，各国、各地地铁发展的经验，促使各城市的线网规划充分考虑形成高效的地铁线网，同时也兼顾地铁与其他交通系统的便捷换乘。地铁线网的形成、换乘体系的建立，都对地铁车站的功能和形式提出了更高

3、的要求。随地铁建设不断深入，对地铁车站结构提出了更高的要求，主要体现在以下几个方面： （1）地铁线网规划的深化，地铁换乘车站增加，换乘更加方便、快捷，但车站在基坑深度、层数、车站换乘方式等方面更加复杂，对结构设计要求提高； （2）地铁车站建筑功能要求不断提升，要求增加结构跨度，减小车站内部结构构件数量及尺度以便于建筑相关布置等； （3）地铁车站与其他交通体系换乘接驳的功能更为全面，导致结构形式更为复杂，结构构件受力采用传统平面计算模型计算已经不能满足要求； （4）城市环境保护及拆迁难度提高等，对地铁车站的施工等方面限制更加苛刻，结构与即有建筑、管线等相互影响，制约地铁车站的设计施工。 这些特点

4、对地铁车站的结构设计提出了很多新课题，这是以前地铁建设中尚未大量碰到的。但是可以预见，随着地铁建设的不断推动，地铁车站结构设计要解决这些新问题，需要更新设计方法、设计理念。我国城市建设规模不断扩大，在房屋建筑等方面因市场竞争等方面的原因积累了越来越多的经验，对采用新技术、新结构形式十分敏感，房屋建筑的发展为解决地铁车站设计出现的新问题，提供了一些有价值的解决方案。2地铁结构设计发展方向 推动地铁车站结构设计，有下面几个主要的发展方向值得关注：2.1采用空间计算模型 地铁车站多设置在城市道路下，为满足城市管线等方面的要求，车站顶板上方一般存在覆土，覆土厚度大，相应底板埋深大，地下水浮力作用大。地

5、铁车站为满足环控、消防等方面要求，并减小车站埋深，车站普遍采用沿线路方向的纵向梁体系，不使用纵横梁体系，结构的板横向跨度达到710m，结构纵向柱网间距因建筑美观及使用功能等方面的要求，往往也在 8m 左右，结构板墙柱的内力大。 在以前计算成本及操作等方面的条件限制下，车站结构计算只能近似采用平面应变假定，对车站进行结构横断面计算分析，只有在少量车站因特殊受力情况下，才采用空间计算模型计算，且前后处理耗时长，计算成本高。 现在，随着计算机硬件及结构计算软件的发展，计算机运算速度加快，各类软件建立空间模型的前后处理更加便利，计算的成本、计算需要的时间大幅度下降，结构材料模型的不断优化，空间计算已经

6、不存在大的问题；采用空间计算模型，针对不同类型的车站，在正确选取材料模型、计算参数的前提下，通过计算得到更加接近真实情况的结果，可以用于指导设计。对一般标准车站完全可以采用空间模型计算，而对解决换乘车站、复杂车站结构受力计算分析已经难度不大，只是在建模时间、结果处理分析等方面略长。 采用空间计算模型，能够在结构内力、应力图中找到结构可能存在的应力集中位置，在设计中针对性的采取加强措施；在保证安全的前提下，可以有效减少结构受力配筋、增加构造钢筋（如纵向钢筋），提 高应对温度应力、地基变形等方面的能力。 在深圳地铁某十字换乘车站设计前，进行了空间模型计算，并与标准车站断面计算配筋对比发现：空间计算

7、得到的结构内力很小，除局部应力集中位置外，其他地方内力配筋较小（图 1）。 因按照空间模型计算得到结构受力一般均较小，需要进一步研究模型计算与实际受力情况的差异，掌握规律，系统优化结构受力，优化计算配筋，同时加强构造配筋，增加结构整体性，提高对抗温度收缩裂缝、不均匀沉降等问题的能力。 空间计算模型受力状况的正确与否，需要进一步结合实际工程，进行必要的钢筋应力等监测等，逐步收集相关施工监测资料，并对空间计算模型进行反馈，做到理论结合实际，不断优化空间计算模型。2.2采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱（或钢管混凝土柱） 采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱（或钢管混凝土柱），一方面可以有效提高梁、柱承载

8、力，减少梁高度，可以减少地下车站基坑深度，减少工程造价；可以减少柱截面尺寸，加大结构柱间距，真正实现大跨度，增加地下可利用空间。另一方面，因车站的中柱及纵梁属于车站结构抗震时最薄弱环节，采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱（或钢管混凝土柱），对地铁车站的抗震有利。 在高层房屋结构设计中，型钢混凝土梁、柱结构体系已经广泛采用。但已建的地铁车站中采用仍较少。已建地铁车站中也有采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱（或钢管混凝土柱），但仅在少量暗挖车站、盖挖逆做法施工的车站中采用，主要原因也是因车站施工条件、施工方法等限制而不得不采取的形式。 分析型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱（或钢管混凝土柱）在已建地铁车站中

9、采用较少主要有以下原因：造价高，对工程费用减少、增加使用面积的效果不如在高层建筑中采用优势明显；设计理论问题未完全解决，包括节点钢筋处理、钢板与混凝土的协同工作等；-施工难度大，质量难以保证，长期使用性能可能受到施工问题影响。另外，我国地铁建设开始较晚，换乘车站较少，车站层数较少，梁、柱受力相对不大，尺寸略大尚可接受。 地铁车站类型的地下工程遭受地震的实例较少，而以往的地下工程震害经验表明显著轻于地面建筑，故工程界普遍认为地下结构的抗震条件较为有利。但是 1995 年发生在日本神户市地震，造成地铁车站等地下结构遭到了严重破坏1。在神户市内2 条地铁线路的18 座车站中,神户高速铁道的大开站、高

10、速铁道长田站及它们之间的隧道部分,神户市营铁道的三宫站、上泽站、新长田站、上泽站西侧的隧道部分及新长田站东侧的隧道部分均发生严重的破坏。车站的破坏主要发生在中柱上,出现了大量裂缝,有斜向裂缝,也有竖向裂缝,裂缝的位置有偏于上下端的,也有位于中间的；柱表层混凝土发生不同程度的脱落,钢筋暴露,有的发生严重屈曲,有单向屈曲,也有对称屈曲的；大开站有一大半中柱因断裂而倒塌。部分车站因箱型结构的钢筋混凝土中柱压坏导致整个区段结构整体破坏。2而采用型钢混凝土柱或者钢管混凝土柱的箱型结构车站及区间中柱未见破坏，主要存在的是在柱端位置存在裂缝或者轻微裂缝。31999 年台湾 Qli-Chi 地震及土耳其Koe

11、aeli地震中地下结构也遭受到了不同程度的破坏。4 理论计算表明，相对一般的钢筋混凝土梁柱结构，采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱（或钢管混凝土柱），结构有较好的延性，能够有效吸收地震能量，对地铁车站结构的抗震有利。地面建筑中地震的经验及在神户地震的经验也证明，采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱（或钢管混凝土柱）结构的抗震性能较好，也便于修复，可以尽快恢复地铁的正常运营。2.3采用拱形结构 一般地铁车站，常沿道路方向设置在城市主要干道下，往往需要覆土满足城市道路交通、管线等相关要求。 如车站因线路要求或其他原因需要顶板的覆土厚度较大时，可在车站的结构形式上充分借鉴暗挖矿山法，在顶板、底板采用拱形结

12、构。如仍采用普通平板结构，因覆土厚度问题，结构板支座跨中及柱的内力大，相应引起结构梁、板、柱尺寸较小覆土厚度条件车站增加较多，安全性差，且工程造价高，不经济。采用拱形结构，可以减少顶板中部位置覆土厚度，对柱受力等较为有利，同时充分利用板墙等混凝土结构的抗压性能，减小板墙结构的弯矩及剪力，使结构受力更为合理，可以减少结构板墙厚度，节省工程造价。设计中，也可以充分利用拱形结构上部空间作为环控通风等管线的通路，有效降低车站层高，减少车站基坑深度。采用拱形结构，也可以在一定程度上加大结构跨度，充分利用地下空间（图 2）。 拱形结构施工，对施工管理的要求比一般车站的施工相应提高，尤其是在顶、底板支模、钢

13、筋绑扎、混凝土浇筑等工序上需要采用严格的工艺控制，才能保证结构施工质量，满足地铁长期使用要求。2.4采用预应力混凝土结构 预应力混凝土结构充分利用混凝土的抗压性能，可以减少混凝土的用量，减轻结构自重。地面建筑、桥梁结构因大跨度等方面的要求，采用预应力结构越来越多。按照规范要求，地铁结构需要有100 年的设计使用年限。在目前条件下，对预应力材料、预应力结构能否达到 100 年的设计年限，缺乏广泛的实际数据支持。只能通过试验等方法逐步摸索，另外，地下水对对预应力结构的使用年限的影响等问题，相关的研究尚不多。地铁工程很少见到预应力结构的工程记录，仅在对俄罗斯（原苏联）地铁的介绍中，提到在部分车站采用预制构件，但构件接头位置的防水问题也是这种结构形式的弱点。因地铁车站结构因建筑布置等方面的要求，需要尽量减少中立柱数量，加大结构跨度，相应地铁车站的顶板、顶纵梁及底板底纵梁等截面尺寸大，重量大