摘 要： 本文以地铁车站主体结构 T 型换乘节点为例，通过建立板壳整体模型计算受力分析，指出节点换乘部分结构设计时所应注意的特

点，并提出自己的一些观点。

关键词： 地铁车站；结构设计；节点换乘

 

      根据我国国情及目前国内城市地铁现状，地铁车站大部分为浅埋明挖，而明挖地铁车站通常采用的计算模型为平面框架模型（即断面模型），即把地铁车站结构设计中的空间问题简化为结构横断面上的平面问题予以解决。这种平面简化模型在特定的条件下能够得到车站结构受力的近似解，如车站标准段。对于结构布置、受力相对复杂的换乘节点，由于此处结构的几何特性及受力状况较标准段有较大变化，造成平面简化方法计算出的结构内力、变形不能客观、真实的反映实际结构的内力分布情况。针对上述情况，本文以郑州地铁桐柏路车站换乘节点部分为例，采用板壳整体模型计算受力分析，并总结其中规律，以期提出对地铁结构设计有参考价值的结论。

 

      车站位于建设路与桐柏路交叉路口，沿建设路呈东西向、靠路北布设，与远期规划5 号线车站 T 型岛岛换乘并预留站台换乘条件。换乘节点处为地下三层车站，一层为站厅层，二层为 1 号线站台层，三层为5 号线站台层，1 号线与 5 号线为 85°斜交。

 

      本文所用软件主要采用MIDAS 有限元软件进行计算分析。

      2.1 条件输入 车站节点处覆土深度 3.25m，埋深 23.65m，土天然容重、侧向土压力系数、基床系数在地质报告中给出，容重约20kN/m³，侧向土压力系数约 0.5，基床系数约 10.0MPa，最高地下水位埋深25m 不考虑其影响。

      节点段主要尺寸初定：顶板 0.8m，中板 0.4m，1 号线底板 0.7m，5 号线底板 1.0m，1 号线侧墙 0.6m，5 号线侧墙 0.8m，顶纵梁1.0X2.0m，中纵梁 0.9X0.9（局部 0.8X1.0）m，1 号线底纵梁（1.0X2.6）m，5 号线底纵梁 1.2X2.2m，中柱直径 0.9m。

      材料等级按全线技术要求输入。

      2.2 模型建立 本车站为明挖浅埋地下结构，因此采用结构荷载理论分析。顶板、侧墙土体压力按荷载输入，底板由受压土弹簧约束。

      经过分析，该换乘节点不能满足平面应变和平面应力问题的简化要求，无法进行简化计算，因此应采用整体模型建模计算。在单元的选取上，实体单元将使建模计算变的繁琐费时，且内力值难以读取；因此采用板壳单元与梁单元结合的方法建立整体模型。梁和柱采用梁单元（2 节点 12 自由度），板和侧墙采用板壳单元（4 节点 20 自由度单元）。模型如图 1 所示。

      本次计算，为了便于对结果进行分析，简化工作流程，只对结构承受恒荷载的工况进行结果分析(以下结果均为基本组合作用下的结构内力)，未按设计规范要求进行荷载组合。现按重点说明的几个问题给出内力图示。

      4.1柱①从换乘节点中间圆柱（以下简称圆柱）内力图可以看出，圆柱以承受轴力为主。由于线路斜交原因产生的结构不等跨、不对称不十分明显，及厚板和梁对柱弯曲和水平变形的限制作用，所产生的柱端弯矩和柱剪力相对较小，计算时将其忽略，按轴心受压构件计算。②从位移图中可以看出圆柱竖向位移较标准段方柱（简称方柱）大。分析原因，圆柱高L_圆比方柱高L_方大6.76m，最大轴力F_圆与F_方基本相等，圆柱截面积A_圆0.6359m²略小于方柱A_方0.7m²。该杆件可近似按线弹性问题考虑，因此柱受压线刚度为 K=EA/L，并满足胡克定律的平衡方程：{F}=[K]{s}^[1]。由以上知，圆柱较方柱K小，且F略大，则位移s较大成正比关系。

      4.2梁 以中纵梁为例，从图6、图7和图8中可以看出。

      ①弯矩图和剪力图显示中间支座弯矩和剪力比标准连续梁有所降低，跨中弯矩有所增加。②位移图中显示，中间支座的位移大于边支座位移约 2.4mm。

      分析原因为换乘节点柱产生相对竖向位移，使梁简化计算模型发生如图 11 变化，即中间支座发生变化成为有一定刚度可以产生位移的弹性支座，结构内力随之发生变化。

      4.3 板 ①从中板弯矩图中可以看出，板横向弯矩并不是按断面简化模型理论纵向均匀分布，依照其变化规律可划分为柱上板带和跨中板带^[2]，如图12 所示。考虑结构的荷载传递关系为板承受荷载传递给侧墙和纵梁，纵梁将荷载传递给柱，为简化板的内力分析我们可以将板带按三跨连续梁结构分析，边支座为侧墙，中间支座为纵梁。由于侧墙截面 A 墙远远大于柱截面 A 柱，由公式 K=EA/L知，侧墙作为支座的竖向刚度就远大于梁柱支座的竖向刚度，这与图 10 位移变化相吻合，因此可假定边支座为固定端，中支座为竖向刚度 K 的弹性支座。由图 8 和图 10 可见，柱上梁的位移 δ1 小于跨中梁位移 δ2，即柱上板带弹性支座 K1 大于跨中板带弹性支座 K2。由于 K 值的不同产生图 9 的变化规律。②板剪力图及去分析过程本文未给出，计算分析同 A。

      5.1 在换乘节点线路斜交，但夹角接近 90°时，所产生的结构和荷载不对称的情况下，由于梁和厚板的约束作用，柱可以按按轴心受压构件计算，而忽略偏心和剪力作用。但线路交角较小或结构荷载不对称明显时，不应简单忽略。

      5.2 由于换乘节点处柱高度的增加（主因），刚度减小，位移增加，引起结构内力的重新分配，体现出大变形问题的特性。其次在对梁、板进行正常使用极限状态受弯构件挠度验算时其位移应考虑柱节点支座的位移。

      5.3 纵梁为多跨连续梁，在换乘节点处由于柱刚度较小形成弹性支座，内力在换乘节点处产生相应变化。

      5.4 柱上板带和跨中板带的划分反映板的内力变化规律，它受支座（纵梁）弹性刚度变化的影响较大。

      综上所述，采用板壳整体模型对地铁车站换乘节点计算分析较为合理，能够较真实的表现其内力特点，避免了在某些条件下，使用不合理假定建立断面模型计算分析而产生的较大偏差或因考虑不周而忽视构件的某些受力状态。

 

[1]钟光路，赵冬.有限元法及程序设计[M].陕西科学技术出版社，1997.

[2]牟锐.芳村车站梁板内力探讨[J].春华秋实十五载，2007，中铁二院内部资料.

[3]GB 50157－2003，地铁设计规范[S].