地铁车站结构设计中空间效应的影响

地铁车站结构设计中空间效应的影响

陈安邦

身份证号： 34112219920219**** ，浙江杭州 310000

摘要：现如今，我国对于地铁车站所实施的结构设计通常是依据相关来运用较为简化的平面模型来对其结构进行分析。但是，地铁车站本身从纵向有相应改变的空间结构，依据规范做平面简化设计，这样会在很大程度上导致部分计算出现偏差。本篇文章借助对不相同跨度的空间模型和有关的平面模型做数值模拟分析。假如运用平面简化类的模型来做结构设计，就需要对结果做相应的折减，特别是结构彼此垂直连接区域需要增加销峰幅度，来保障地铁车站所具有的经济性。

关键词：地铁车站；结构设计；空间效应

我国地铁车站通常都是偏于狭长的，横向尺寸要比纵向尺寸要小，大部分都是平面变形，所以能够简化成平面问题来进行解决，可以选择在弹性地基之上的创建相关模型来展开设计，而且平面模型更好把握，工程精细度也处在可操控的规模之内，所以备受设计从事者的欢迎。然而地铁车站当中的中柱是沿纵向并没有连续，造成地铁车站本身结构中的沿纵向材料、几何尺寸以及刚度都会有所改变，这种平面模型把中柱按刚度等效成为纵向薄连续墙来做结构运算就显得不够合理，况且平面简化的模型并未重视一些结构中几何尺寸对于受力的影响。我国在这个领域的研究相对较少，空间效应相关的理念也很少出现，这就要求地铁结构的设计从事者对该理念做进一步的研究。

一、平面简化模型的设计及其存在的问题

（一）平面简化模型设计

地铁车站大部分都是狭长型的，所以车站结构的设计当中基本上都是把立体的车站结构精简成平面框架这样的结构，方便于之后的设计。这样精简是依据下面的假设：1.地铁车站本身的结构是纵向尺寸多于横向尺寸，设定其纵向尺寸无限大；2.地铁车站本身结构就是沿着纵向材料与几何尺寸保持不变化；3.作用到车站结构当中的荷载沿着纵向连续排布并且不会改变。由于车站和隧道在结构上所存在的差异，中柱的安排沿着纵向并不是连续进行设置的，而在建模当中一般依据下面这些方式来进行简化：其一，依据刚度等效，折算为中隔墙，接着再拿出一延米的“中隔墙”再实施建模；其二，沿着车站纵向来拿出中柱在前后的半跨，结构本身的参数、荷载都需要依据纵向一跨来进行运算，而运算结果中墙、梁本身的内力处在一跨内力的和。

（二）平面简化所存在的问题

即使平面简化这类模型在一定的假设条件下可以得出最为接近的受力情况，但是具体情况显然和其假设具有较大的差异。首先，地铁车站当中的中柱沿纵向并没有连续，这和假设不相符；其次，因为中柱安排具有的不连续性，导致纵向车站本身结构在刚度上会有所改变，那么所出现的地基反力就势必会有很大的差异，和假设情况并不吻合。很明显把中柱依据刚度等效成纵向薄连续墙来展开结构运算所算出的结构内力无法在真正意义上体现出结构实际的受力情况。并且这类简化方式忽视了一些结构几何尺寸对于结构受力所产生的影响，把板、梁与柱这些结构都精简为杆件单元来实施模拟，导致计算结构的内力和真实情况存在不同。最为明显的地方就是板结构两边墙处存在的弯矩，即使该部位被弯矩的程度通常过大，但是因为该部位的侧墙截面有着很大的截面高度，通常并不是危险系数最高的截面。此外，把一定宽度的板结构简化为梁来实施运算，也在很大程度上忽略了其所存在的空间关系，将本来是双向受力的板结构当作单向板来进行运算势必会导致运算出的结构偏大。总之，把地铁车站简化为平面框架这类结构再进行运算，因为一些假设情况无法得到满足，这就导致运算结果相对较大，导致材料浪费情况的出现，进而影响到工程自身的经济性。如图1是某地铁车站端头位置计算模型，如图1。计算软件选为SAP2000。使用阶段弯矩图计算结果如图2。

图1 车站端头井计算示意简图

图2 使用阶段弯矩包络图（标准值 KN·m）

二、空间模型的设计

（一）模型参数

下文就选择了某项地铁车站的工程数据来实施建模。这其中荷载依据《地铁设计规范》相关要求来进行运算，顶板通常被上覆土层以及路面荷载所具有的作用；侧墙结合其变化的规律多去承受主动土所产生的压力，结合具体的地质情况来运算主动朗肯土压力施加到结构当中。底板就可以当作是文克尔地基之上的弹性板，全部的竖向荷载最后都是经过底板来传输给地基。总体受力与传力当中的主体结构每个部件都需要做到变形协调，底板和地基应该达到文克尔地基模型所提出的要求。具体的荷载计算结果如表1：

表1荷载计算结果

因为本文大部分计算主要研究的是车站结构在使用当中的状态，结构本身的刚度也就是混凝土本身的刚度，而配筋率不同所产生的影响也会存在差异，在本文可以忽略不计。由勘察报告可知车站基坑范围内按朗肯主动土压力公式计算土的侧压力，并按土层加权平均主动土压力系数计算侧墙土压力。建模计算结果如图1，2。

图1 基本组合弯矩图（M11）

图2 基本组合弯矩图（M22）

（二）模型验证与沉降分析

为了保障创建的三维模型和二维平面简化这些模型有着一定的相应性，在这里就创建二维平面模型来做有效的对比。二维精简模式是运用杆件单元来创建，选取和空间模型相契合的截面属性同时一样进行荷载。计算所得的底板中点出现位移，结合图表对比可以发现，空间模型本身的基底沉降值处在中柱周围要比平面模型本身的基底沉降值要小出0.25mm左右，在纵向跨当中的部分要比平面模型本身的基底沉降值要小出0.25mm左右。中柱所处部门的底板沉降显然大于别的部分，这是因为车站在竖直方向所受到的荷载，借助板的作用来传输到边墙与纵梁之上，然而传输到纵梁的那些荷载又沿着中柱传输到底板的一些不连续的点上，出现了应力过于集中的情况，导致底板沉降沿着纵向出现变化。但是由于空间模型车站本身所受到的总体荷载及其平面模型保持统一，所以空间模型本身的沉降位移曲线在具体平面模型沉降位移曲线周围上下波动，中柱所处的部分沉降较大且纵向跨中部分沉降较小，和结构特性相契合。所以，能够确定空间模型较为准确的对应好平面模型。并且，两个模型计算得出的中柱轴力几乎保持一致，逐步验证了模型所具有的针对性。

结束语：总而言之，地铁车站的简化平面模型被外部被很多因素所影响，通常不可以真正的体现出地铁车站结构实际的受力状态，运用空间模型就可以弥补之前平面模型运算不准确的情况，即利用等效弯矩的配筋运算来让总体模型设计来达到地铁车站结构具体的受力需求，所以能够把空间模型当作地铁车站结构具体设计当中的主要模型。以上就是笔者根据自己多年来的从业经验，针对地铁车站结构设计当中的空间效应展开分析，以供广大该领域从事者进行参考。

参考文献：

[1]薛磊.地铁车站结构设计中空间效应的影响[J].河南建材,2020(05):96.

[2]汪凯.明挖地铁车站空间效应对结构设计的影响[J].工程与建设,2019,31(04):469-471+474.

[3]龚湘源. 狭长型地铁车站基坑分步开挖的空间效应研究[D].东南大学,2018.