地铁车站结构设计中存在的问题

２．２计算概念中存在的问题
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》（ＧＢ １１１—８７）、《建筑抗震 设计规范》（ＧＢ ５００１１－－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。
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２～４跨、纵向为多跨的长条结构，结构总宽度为 ２０～３０ ｍ，总长度为１７０～２２０ ｍ，沿高度大多分 ２～３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３ ｍ），这样结构 的基坑深度一般可达１５～２０ ｍ，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
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。
中国城市轨道交通（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
（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 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。
往往都较厚（一般为０．６～１．０ ｍ），顶梁、底粱的截 面高度也很大（一般为１．６～２．２ｍ），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０．３～ｏ．５ ｍ）， 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。
２－２剖面粱内弯矩
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３－３剖面粱内弯矩
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
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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。
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
算。由于地铁框架柱的纵向尺寸一般较大（一般为 ０．８～１．２ ｍ），柱的纵向间距一般为６～８ ｍ，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（１．０５×７．１）中的较小者， 即取７．４５５ ｍ作为计算长度，如果计算跨度按照中 心到中心即８ ｍ计算，其弯距值将增大８２，／７．４５５２ １一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
１．１剖面粱内弯矩
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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
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主至至圭至至至至主至至至至至
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图２不考虑斜托拱效应计算圈式
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Ｐ２ １３２ｋＮ／ｍ
主至至圭至至至至圭至至主主至
Ｋ．＝４００００ ｋＮ／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０．２～０．５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
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。
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２－２剖面粱内弯矩 口
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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１×０．５ＩＴＩ．主梁ｌ×１ ８ｍ）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。
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０．４，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４０ ０００ ｋＮ／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２０ ｋＮ／ｍ｛）， 地面超压按２０ ｋＰａ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）。
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ｌ－１剖面粱内弯矩
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。
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２－２剖面板内弯矩
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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
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
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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，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
陲鼯 等，上述的几种计算方法都有其一定合理性，但又 顶纵粱１０００ｘ １５００
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图１标准断面结构图（单位：ｍｍ）
田匝匝ⅡⅡ卫皿 ｑ－＝，９０ ｋＮ／ｍ
Ｐｌ＝３６ ｋＮ／ｍ
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， １×１．５ｍ）
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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。
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２－２剖面板内弯矩
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３－３剁面板内弯炬
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０ ５ｍｔ 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
《铁路工程抗震设计规范》（ＧＢ １１ｌ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。
（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。