摘 要: 研究目的: 一个城市的轨道交通路网，必然存在着两线或两线以上的相交，构成了多种形式的换乘。同时还要考虑与地面铁路客站、航空站、地面大型公交枢纽站、轮船码头和公路客站等接近换乘。由此，换乘车站是地铁车站的重要枢纽站，设计分析均较为复杂。重庆地铁 6 号线一期工程冉家坝车站为三线换乘车站，需要对换乘节点区域进行三维分析，为设计提供理论依据，保证车站结构的安全。

研究结论: 本文结合冉家坝车站的三维模型分析，提出了换乘节点区域应力配筋的设计方法; 根据换乘节点厚板的受力特点，提出了双向板布置模式; 根据中柱受力情况，提出了型钢混凝土柱方案; 根据 TBM 过站模拟的分析，提出了轨行中板的 TBM 荷载用临时支撑承载与结构使用功能的永久荷载结构承重的方案。

关键词: 换乘地铁车站; 预留节点; 结构内力; 应力集中; 轨行中板

 

      一个城市的轨道交通路网，存在着两线或两线以上的相交，构成了多种形式的换乘。同时还要考虑与地面铁路客站、航空站、地面大型公交枢纽站、轮船码头和公路客站等接近换乘。同时，换乘站的两条及多条线路大多不同步实施，应在近期工程中考虑必要的预留工程，其规模视车站所处工程地质及水文地质条件，以尽可能减少近期工程投资，同时又不给远期工程的实施与地铁安全运营造成过大困难和投资的无谓增大为原则。由此，有条件的将换乘节点一次做成。

      冉家坝车站即为该线路的重要枢纽站，换乘关系多，结合上部物业开发，预留节点多，设计分析均较为复杂。其中预留的环线为规划中远期实施的车站在近期实施的车站下方通过，为避免后期施工的车站在近期车站运营后下穿施工的风险，减少对运营的影响，并减少一次建成后因不确定性所引起的废弃工程，需同期完成中远期换乘节点范围的结构施工，同时预留后期施工条件。

      本文对前面所提到的换乘站，换乘预留节点部分进行研究，提出相应的解决方案。

 

      冉家坝车站为三线换乘站，站内 5、6 号线形成南北向平行同台换乘; 与规划路下东西走向的环线十字交叉岛侧换乘，6 号线与 5 号线在上，环线在下。车站主体为地下六层，节点区七层。地下一至三层为商业开发，地下四层为站厅层，地下五、六层为 5、6 号线站台层，地下七层为环线站台层，车站全长 227． 4m，标准段宽度 30． 26 m，总建筑面积 58 633 m²，设10 个出入口和 3 组风亭。

      在本车站的换乘节点处，结构纵横尺寸比例接近，电扶梯、楼梯孔洞及环线换乘通道集中在一起，结构受力复杂，采用平面计算模型难以有效反应实际受力状况，根据地铁规范的要求，采用三维空间计算模型对结构进行计算分析。

      中远期规划的环线车站暂考虑与 6 号线的车站标准相同，预留换乘节点车站的总平面图、底板、中板布置图及物业开发层结构平面布置如图 1 ～ 图 4所示，预留换乘节点横、纵断面图如图 5、图 6 所示。

      采用有限元计算程序，建立预留换乘节点处结构的空间计算模型，可以得到结构的受力状况。

 

      根据本车站主体结构的明挖顺作施工工法，本车站计算模型采用荷载 － 结构模型。

      对于地铁车站结构，一般可以采用板( 壳) 单元或墙单元模拟各层板及侧墙，而柱、纵梁采用梁单元模拟。

      MIDAS / Gen 梁单元的理论依据是 Timoshenko Beam Theory，它具有拉、压、剪、弯、扭的变形刚度，梁单元的每一个节点都具有三个方向的线形移动位移和三个方向的旋转位移，每个节点具有 6 个自由度。本结构墙、板计算采用厚板单元，其理论依据为Mindlin － Plate Theory，这种单元具有平面内抗压、抗拉及抗剪刚度和厚度方向的抗弯及抗剪刚度。

 

      根据车站结构换乘节点区域的结构形式，采用MIDAS 程序，建立空间计算模型，可以得到车站节点范围板、墙、柱、梁构件的受力状况，中板开洞处的应力分布情况。

      顶、中、底板及换乘节点底板及各侧墙作为板壳单元，结构纵梁、柱作为三维梁单元，按照相接节点位移( 三平动、三转动) 相同于板壳单元连接，端部方向分别加以水平弹簧约束。主体结构与围护结构间采用回填处理，围护结构为灌浆锚杆网喷混凝土支护模式，侧墙两侧按静止土压力考虑; 底板与地层间的抗力由两端铰接链杆模拟，只传递压力，产生拉力时链杆不起作用。在空间计算模式下，能反应结构构件间的空间共同作用，可以充分考虑板、梁变形及侧墙弯曲变形的影响，接近实际结构受力状况。

      为减少单元及缩短计算时间，在计算模型中不建立围护结构的单元。不考虑围护结构承受水土压力，将水土压力全部作用在侧墙上。

      因车站换乘节点范围较大，考虑应力影响范围，选取节点范围向各边延伸不小于 50 m 的结构长度参与计算，换乘节点的结构计算模型如图 7 所示。

      ( 1) 结构自重; ( 2) 覆土重; ( 3) 侧向水岩( 土)压力，岩( 土) 侧压力系数及地基基床系数按地勘资料提供的参数采用; ( 4) 设备荷载; ( 5) 车站主体上部商业用房恒载; ( 6) 水浮力。

      ( 1) 地面超载; ( 2) 公共区站厅、站台层人群荷载; ( 3) 施工荷载; ( 4) 温度荷载。

      ( 1) 地震作用，按《地下铁道设计与施工》建议的计算方法计算; ( 2) 6 级人防等效荷载。

      ( 1) 混凝土: 框架中柱及其与纵梁节点采用C50 混凝土; 其余为 C40。

      ( 2) 钢筋: 纵筋、箍筋采用 HRB335 钢筋; 箍筋采用 HPB235 钢筋。

 

      本计算选取基本组合、标准组合和频遇组合三种工况，前两种分别用来分析承载能力极限状态和验算正常使用极限状态，频遇组合作为检算工况。通过有限元数值分析表明，人防荷载和地震作用荷载工况不是控制条件，其承载力极限状态的受力及正常使用极限状态的抗裂为设计控制条件。其典型应力云图及内力图如图 8 所示。

      ( 1) 根据计算模型的整体云图可见，结构整体受力较大值出现在墙体与板的边线，站台一、二层底板及楼扶梯开洞集中部位。尤其环线站台层底板受竖向荷载大，底板反力大，其支座和跨中弯矩均大，需要结合应力图进行加强设计。同时该区域纵、横梁均布置，空间受力效应明显，按平面框架模型分析无法反应实际受力状态，应考虑空间作用，其配筋较经济。

      ( 2) 根据板弯矩云图 9 和图 10 可见，弯矩较大值出现在侧墙与底板的交接部位、较大洞口处以及中柱作用范围，按单向板计算，明显板厚较大，通过试算，本结构需1 100 mm 厚，配筋也较大; 增设底板梁，减少底板跨度，其效果显著。同时对洞口处设置合适的边梁，对柱上板带的抗剪抗冲切做计算分析，增设钢筋网及型钢抗剪，以利于减小板厚。

      ( 3) 考虑6 号线整个区间工期安排及投资优化计划，本站轨行中板( 700 mm 厚) 设计考虑 TBM 步进过站，由于过站的荷载及对车站净空、板跨的要求，其受力为其控制条件。由梁的弯矩图12，轨行中板弯矩值为639 ～13 416 kN·m，换乘节点中心区域两跨跨度10． 25 m，弯矩值达最大值13 416 kN·m，该值决定纵梁及板的截面，对站台二层的净高起控制作用。根据配筋计算，若考虑轨行中板直接承载过站荷载，其板厚还需加大，按正常使用裂缝分析，其配筋率太大，已属不合理方案，经综合比较，TBM 过站荷载采用临时钢结构支撑加固处理，按列车运行荷载设计，其板厚及梁高均减小，满足安全、经济要求。

( 4) 从柱轴力图13 可以看出，换乘节点区域跨度大，层数多，荷载大，环线层底板处柱轴力较大，最大值为29 512 kN，该值为柱截面的控制条件，可能影响到站台的净宽要求，此时宜按型钢混凝土柱设计，强度高、截面小，易满足建筑功能要求。

 

      通过对本车站的三维模型设计与分析，可得到如下建议:

      ( 1) 对于类似条件的换乘车站节点区域的计算与设计空间效应明显，需按三维建模分析，为节省时间，有效地建立分析模型，可以整体上较大地划分网格，在孔洞集中部位、框架柱所在板带及换乘预留节点底板部分细分单元，可得到较满足结果。

      ( 2) 对于有区间掘进机步进过站的轨行中板，考虑临时支撑方案承载过站荷载，按正常使用阶段荷载设计永久结构板，达到安全、可靠、经济的设计。

      ( 3) 由于换乘站节点部分层数多，荷载大，且存在预留条件不稳定情况，车站中柱横向尺寸一般为控制条件，建议初步设计时给予重视，约束要求高时建议采用型钢混凝土柱。

      ( 4) 换乘节点底板受力集中效应显著，其板布置宜按双向板考虑，以利于减小板厚，满足受力要求。

 

［1］ GB 50157—2003，地铁设计规范［S］．

         GB 50157—2003，Metro Design ［S］．

［2］ GB 50010—2002，混凝土结构设计规范［S］．

         GB 50010—2002，Design of Concrete Structures ［S］．

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