摘  要:以武汉地铁 4 号线一期工程罗家港站为例，对地铁车站主体结构进行功能分区与结构布置。根据钢筋混凝土结构特点，按平面有限元进行计算分析，并与空间结构计算进行比较，得出满足地铁运营功能要求的结构受力体系。结果表明，采用荷载 － 结构平面框架弹性有限单元法的简化模型对结构进行设计是可行的，在确保地铁车站结构设计安全可靠的前提下，由三维空间结构简化为二维结构进行设计，大大节省了工作成本。其经验可供类似工程借鉴。

关键词:车站布置; 框架结构; 有限元计算; 武汉地铁

 

      罗家港站是武汉地铁 4 号线的第 6 个车站，位于武汉市武昌区规划的二环快速路和车站路交汇处。罗家港排水明渠东侧，周边现状为农田和鱼塘; 西侧为村屋，600 m 处有大型居住小区。本站所处地为交叉路口，红线较宽。车站周围规划用地主要为居住用地。规划中的车站路横穿罗家港明渠，车站靠规划二环快速路东侧设置。

      车站为二层钢筋混凝土框架结构，主要为单柱双框闭合式框架结构，部分为双柱三框闭合式框架结构，结构持力层位于黏土层和粉质黏土层。主体结构横向外包尺寸为 19． 70 m ×12． 86 m，采用站台宽为 11 m，两层两跨钢筋混凝土矩形框架结构，车站顶板覆盖土体厚度为 3． 0 m。中柱与边墙间的板 跨 距 离 为9 150 mm，车站主体结构布置顶板厚 800 mm、中层板厚 400 mm，底板厚 900 mm、两边侧墙厚 700 mm。中间柱断面尺寸为 800 mm × 1 200 mm( 长 × 宽) ，上层柱高 3 750 mm，下层柱高 3 910 mm，上板梁断面尺寸为1 200 mm ×1 800 mm，中板梁断面尺 1 000 mm × 1200 mm，下板梁断面尺寸为 1 200 × 2 200 mm。

      顶板、中板、底板、侧墙和中间柱混凝土强度等级均为 C35，顶板、底板和侧墙抗渗等级为 P8。

      罗家港车站基坑设计长度 209． 3 m，宽19． 7 m，基坑深为 15 ～17 m。基坑围护结构采用地连墙明挖法施工。

 

      根据罗家港站工程地质勘探资料分析，车站坑壁土层从上至下编号和名称见表 1。其中( 3 －5) 层粉质黏土、粉土、粉砂交互层在地震中宜发生砂土液化，液化指数 Ile 为 1． 58 ～ 10． 84，液化等级为轻微 ～ 中等，鉴于该土层中夹有不均匀黏性土薄层，黏粒含量较高，建议结构设计按轻微液化考虑。车站位置土层的物理力学参数建议值见表 1。

      水文地质条件: 罗家港站场地的地下可分为上层滞水、孔隙承压水两种类型。上层滞水主要赋存于( 1) 层人工填土层，无统一自由水面，孔隙承压水主要赋存于( 3 －5) 层及( 4) 层单元层粉土、砂土中。根据罗家港站施工详图勘查报告建议，罗家港站抗浮水位取至地面标高。

 

      ( 1) 车站主体结构采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠指标度量结构构件的可靠度。采用以分项系数的设计表达进行结构计算分析。

      ( 2) 结构构件应根据承载力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别按下列规定进行计算和验算。① 承载力及稳定: 所有结构构件均应进行承载力( 包括压曲失稳) 计算; 需考虑地震、人防、施工等特殊荷载的作用，进行结构构件抗震承载力计算。② 变形:对使用上需控制变形值的结构构件，进行变形验算。③ 抗裂及裂缝宽度: 对使用上要求不出现裂缝的构件，进行混凝土拉应力验算; 对使用上允许出现裂缝的构件，按荷载的短期效应组合并考虑长期效应组合的影响求出最大裂缝宽度进行裂缝宽度验算。地震力、人防等偶然荷载作用时，不验算结构的裂缝宽度。

      ( 3) 车站结构设计应按最不利情况进行抗浮稳定验算，在不考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于 1． 05; 在适当考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于 1． 10，当结构抗浮不满足要求时，应采取相应的工程措施。

      ( 4) 车站结构的人防抗力等级为 6 级，应验算结构在核爆炸等效静载与静荷载共同作用下的承载能力，可不验算在动荷载作用下的结构变形、裂缝宽度、地基承载能力及变形。

      ( 5) 作为基坑支护结构，连续墙在施工期间应考虑承担全部的侧向土压力。作为侧墙的一部分，车站在使用期间与内墙共同受力。

      根据相关设计规范的规定，按结构在使用阶段可能出现的最不利情况进行荷载组合。

      ( 1) 地层土压力。水平压力按静止土压力计算;竖向土压力按顶板承受计算截面以上全部土重考虑。

      ( 2) 水压力。黏性土按水土合算，砂性土按水土分算原则进行计算，设防水位取至地面。

      ( 3) 地面超载。标准段按 20 kN/m²计算。

      ( 4) 盾构段侧墙。按35 kN/m²计算; 盾构段端墙按 75 kN/m²计算。

      ( 5) 中板自重恒载。结构自行考虑，同时需考虑隔墙荷载。

      ( 6) 设备荷载。8 kN/m²( 按恒载考虑，不同时考虑人群荷载) 。

      ( 7) 人群荷载。取 4 kN/m²。

      ( 8) 偶然荷载。按 6 度地震作用，6 级人防计算。

      ( 9) 列车荷载。取为 20 kN/m²，道床荷载 13kN / m²( 对结构受力有利时，结构计算时不考虑) 。

      荷载组合及分项系数见表 2，结构重要性系数取1． 1。

      武汉地区按 6 度设防考虑，不需要进行地震验算。

 

      车站主体结构通常按平面受力进行分析，结构按底板支承在弹性地基上的结构进行计算，采用荷载 －结构模型平面框架杆系弹性有限单元法进行分析计算，并参考三维弹性有限元计算进行分析。采用工程应用较成熟的计算软件 SAP2000 进行结构分析与计算。

      ( 1) 开挖与回筑阶段迎土面采用主动土压力，使用阶段为静止土压力。

      ( 2) 围护桩支护结构与内衬结构之间的传力采用二力杆模拟。二力杆仅传递压力，不承受弯距、剪力与拉力。当二力杆受拉时应取消此杆重新计算。

      ( 3) 使用阶段的结构计算，支护桩与内衬墙间设受压链杆，按弹性地基上变截面框架进行各种工况的计算，并考虑立柱和楼板变形的影响，以最不利情况作为构件截面设计的依据。

      ( 4) 用布置于底板各节点上的弹簧单元来模拟围岩与车站主体结构底板的相互约束; 假定弹簧不承受拉力，弹簧受压时的反力即为围岩对底板的弹性抗力。

      罗家港车站明挖主体结构为二层二跨矩形箱体结构，沿车站纵向结构断面与荷载分布均无突变，底板座落地层均匀，结构按底板支承在弹性地基上的结构物计算，采用荷载 － 结构模型平面杆系框架结构有限单元法进行计算分析。沿车站纵向取单位延米作为计算单元，采用在弹性地基上的等代闭合框架法进行计算。并作如下假设:

      ( 1) 侧壁和底板的土体以受压弹簧来模拟，弹簧刚度依据不同土层取值:

K_i= k₀bl_i        ( 1)

      式中，K_i为第 i 号弹簧的刚度; k₀为地层弹性反力系数; b 为弹性地基计算宽度，此处取 1 m; l_i为第 i 号弹簧所代表的分布地基的长度。

      ( 2) 如果弹簧反力超过地基承载力，则取消相应弹簧，并用最大地基反力代替。如果弹簧受拉，则取消底板受拉弹簧，以水反力代替。

      ( 3) 地下连续墙和内衬墙之间设置隔离层，两者相互平整贴合但不连接，按重合结构考虑，即: 两者内、外墙所产生的垂直方向变形相互不影响，但水平方向变形相同。

     ( 4) 侧向土压力取为静止土压力，黏性土土层采用水土合算，砂性土及卵石土采用水土分算，水土压力共同作用于主体结构侧墙上。

     车站标准段主体结构二维计算简图见图 1。

      按永久荷载、可变荷载、施工荷载和偶然荷载等进行组合划分。荷载组合与分项系数见表 2。

      按照上述基本条件和 4 种荷载组合，采用“荷载－ 结构”模型按平面杆系有限元法进行计算分析。

 

      应用 SAP2000 计算软件和确定的 4 个荷载组合，选取如图 2 所示的单柱二层框架结构 A ～ K 计算截面位置进行计算成果整理与分析。罗家港站平面框架结构控制工况内力及配筋计算成果见图 2 ～4 和表 3。

      上述平面弹性有限元方法计算存在无法考虑框架结构中纵梁对主体结构的影响问题，由此本站取纵向5 跨进行空间线弹性有限元计算分析，空间与平面弹性有限元计算结果比较的结果是: 墙端、梁跨中内力值两者之间差别很小，但是在柱端顶、底板处有 20% 左右的差别。其主要原因是平面解不能满足纵横向结构的变形协调关系，尤其是在纵梁支撑点处的位移协调关系，不能正确模拟梁对板的支承作用。

      在实际设计中，按平面计算结果进行截面设计虽与结构的实际受力有一定的误差，但是结构在达到承载能力极限状态之前，发生一定的塑性内力重分布，最终的内力分布主要取决于各构件( 截面) 配筋和极限弯矩值。所以平面框架的计算分析结果是偏安全、满足要求的。

      地铁箱型车站主体结构一般按平面受力进行分析，计算中采用等代框架法，即取纵向柱跨范围内的各层梁板、侧墙与立柱组合为平面框架，忽略纵梁作用。在求出各等代构件的内力后，结构按底板支承在弹性地基上的结构物计算，采用荷载 － 结构平面框架弹性有限单元法进行结构计算分析是满足承载能力和正常使用要求的。

      ( 1) 罗家港站空间结构采用荷载 － 结构平面框架弹性有限单元法的简化模型对结构进行设计是可行的，对于不同形式较为复杂的箱型结构，当纵梁与板线刚度比及柱距差别较大应进行平面框架和空间结构分别计算分析时，可先简化为二维结构进行计算，再通过空间结构计算的结果对平面框架计算结果进行修正( 具体修正数值由空间计算确定) 。

      ( 2) 罗家港站平面框架的荷载组合分析与计算结果表明，由于地下结构为一级裂缝控制等级构件，在荷载标准组合下，荷载标准组合与准永久组合抗裂验算边缘的混凝土法向应力之差大于等于零。很多截面的配筋都是由裂缝来进行控制的，而非极限承载能力来控制。故地震力、人防荷载对其结构为非控制因素，仅需按抗震、人防要求进行构造措施处理。

      ( 3) 罗家港站由三维空间结构简化为二维结构进行设计，既保证了结构安全可靠，又省时省力，且大大节省了工作成本，其经验可供类似工程借鉴。