李诗尧，邵 文

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

伴随着城市土地资源日趋紧张和城市空间立体思路的发展，地铁已成为人们利用地下空间，缓解地面交通，实现人车立体分流，保护文物古迹的一种有效形式。一个城市的地铁网络中，通常会有几座车站选择设置在该市与外界发生交流互通的枢纽节点上，例如火车站、高铁站、飞机场等，以便有效将市内交通和对外交通进行连接，使高铁站、飞机场等市政工程的功能更加健全。这类设置在交通枢纽处的地铁车站，通常会选择与地上建筑进行合建，以便节省投资、缩短工期等。这类地铁车站与普通车站在设计过程中的受力特点有所不同。本文选择了我国西北某市内一座与机场交通中心合建的地铁车站作为研究对象，对这类地铁车站主体的受力特点进行研究。

1 研究背景

所选车站属该市机场改扩建市政配套工程，位于机场交通中心下方，与上部结构合建。车站主体结构设计采用钢筋混凝土箱形框架结构形式，承受上部交通中心的荷载，整体可视为上部结构的基础，上部交通中心的荷载通过转换梁和隔震支座，以节点荷载的形式作用在车站结构的框架柱和侧墙上。车站主体并非位于交通中心正下方，而是沿南侧边界与交通中心平行布置，因而上部荷载数值不均匀，靠近中心线一侧荷载普遍大于外侧，造成车站整体存在偏压。此外，因上部结构荷载作用，靠近中心线一侧侧向压力也大于外侧。

车站全长245 m，为地下两层明挖14 m站台岛式车站，标准段宽度23.3 m，主体高14.6 m，车站纵向柱距9 m，横向柱距6.5 m，围护形式为钻孔桩加内支撑，明挖顺作法施工[1]。建设场地内地形整体平坦开阔，地貌单元区为山前倾斜冲、洪积砾质平原区，主体结构处于无水卵石地层，密实度好，土层力学参数如表1所示。

表1 土层力学参数

2 车站模型建立

地铁车站与上部交通中心位置关系横断面如图1所示。

图1 地铁车站与上部交通中心位置关系(单位：mm)

2.1 车站主体构件尺寸

车站结构主要构件尺寸及材料如表2所示[2]。

表2 结构主要构件尺寸及材料

2.2 车站主体承受荷载

车站主体承受的主要荷载包括侧向土压力、顶板上部荷载(恒载+活荷载)、站厅层荷载(恒载+活荷载)、上部交通中心压力(恒载+活荷载)、结构自重、超载等。偶然荷载考虑地震荷载，因上部结构关系，人防荷载不受控制[3-4]。主体横断面受力示意如图2所示。

图2 主体横断面受力示意

本车站的特殊之处在于上部交通中心的集中压力荷载，由图1可以看出，上部交通中心荷载通过转换梁将压力荷载分担在隔震支座上，进而以点荷载的形式作用于车站结构柱和侧墙上。由于地铁车站处于交通中心一侧下方，上部压力存在偏压，图2左侧压力荷载约为右侧的两倍。本文分析的主要荷载组合如表3所示[5-6](括号内为对结构有利情况)。

表3 荷载组合

2.3 车站主体建模

车站主体承受的上部交通中心压力值不同位置差别很大，不具备规律性，且荷载值较大，应视为主要控制荷载。鉴于此，在受力分析时，选择Midas Gen软件进行三维有限元建模分析[7-8]，构件尺寸按表2确定，其中顶、中、底纵梁和结构柱为梁单元，顶、中、底板和墙为板单元，边界条件选择面弹性支撑，竖向基床系数取90 MPa/m，侧向基床系数取85 MPa/m。模型总共有节点19 931个，单元21 552个。

3 模型计算结果与分析

3.1 结构内力计算结果与分析

对模型进行静力线性分析，可以得到结构构件的内力，结构底板沿车站长度方向弯矩分布规律一致，上部弯矩峰值点出现在支座处(结构柱支座和墙支座)，下部弯矩峰值点出现在跨中，且上部弯矩峰值为下部弯矩峰值2～3倍。

图3为底板典型代表面基本组合下结构弯矩图，可以看出，弯矩峰值在25轴处，基本组合下车站主体结构25轴横断面的弯矩如图4所示(包含顶、中、底板和侧墙)。

图3 基本组合下结构底板弯矩图(部分)(单位：kN·m)

图4 基本组合下结构25轴横剖面弯矩图(单位：kN·m)

可以看出，底板弯矩峰值为顶板和中板弯矩峰值的十几倍。此外，不同于一般的标准对称车站，该车站顶板两个柱支座处的弯矩方向相反，这会造成顶板此两处位移差别较大，中板与顶板有相同规律。

底纵梁的弯矩要远大于顶、中纵梁，且由于靠近中心线一侧上部结构压力荷载大于外侧，导致两条底纵梁的弯矩虽有相似的分布规律，但数值差别很大。基本组合下结构顶、中、底纵梁弯矩如图5所示。

图5 基本组合下结构梁弯矩图(部分)(单位：kN·m)

将结构各构件基本组合和准永久组合下弯矩最大值进行汇总，如表4所示。

表4 结构各构件最大弯矩汇总 kN·m

3.2 结构变形计算结果与分析

准永久组合下结构顶板的竖直方向变形情况如图6所示，准永久组合下结构中板的竖直方向变形情况如图7所示。

图6 准永久组合下结构顶板竖向变形(单位：m)

图7 准永久组合下结构中板竖向变形(单位：m)

可以看出，准永久组合下结构顶板竖向的极限位移为0.016 m，25轴横剖面两柱支座竖向相对位移为0.01 m；中板竖向的极限位移为0.012 m，25轴横剖面两柱支座竖向相对位移为0.007 m，均满足规范要求。

准永久组合下结构底板的竖向沉降值如图8所示，准永久组合下结构墙竖向位移值如图9所示。

图8 准永久组合下结构底板竖向沉降(单位：m)

图9 准永久组合下侧墙竖向变形(部分)(单位：m)

可以看出，结构底板最大沉降为0.008 m，满足规范要求。此处底板沉降小于顶板位移差值，是由于柱子承受很大的轴心压力时，本身会产生一定程度的压缩变形[9]。

侧墙上部竖向位移要大于下部，这主要和侧墙承受上部交通中心的竖向压力较大有关。

表5为结构各构件内节点在准永久组合下的位移峰值。

表5 准永久组合下结构各构件内节点各向位移峰值 mm

由表5可以看出，结构整体沿重力方向沉降比较明显，且结构柱受压产生了压缩变形；又由于车站横向两侧压力荷载有差别，导致两侧存在位移差。

3.3 结构抗震验算

按照《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB50909—2014)的规定[10]，对该车站在E2、E3地震作用下的结构整体变形性能进行验算[11-13]。

车站结构在E2地震作用下横剖面的变形值如图10所示。由图10可知，在E2地震作用下，结构负一层最大弹性层间位移比为1/3 425，负二层最大弹性层间位移比为1/586，根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》索引的《建筑抗震设计规范》标准[14]，E2地震作用下结构弹性层间位移角限值为1/550，故在E2地震作用下结构变形满足规范要求。

图10 E2地震作用下结构变形值(单位：m)

车站结构在E3地震作用下横剖面的变形值如图11所示。由图11可知，在E3地震作用下，结构负一层最大层间位移比为1/2 283，负二层最大层间位移比为1/352，根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》，E3地震作用下钢筋混凝土结构层间位移角限值为1/250，故在E3地震作用下结构变形满足规范要求。

图11 E3地震作用下结构变形值(单位：m)

4 结论与建议

通过对我国西北某市内与机场交通中心合建的地铁车站主体结构受力特点研究，得到了以下结论和建议。

(1)由于承受上部结构集中荷载作用，车站主体结构内力比日常标准车站大，且内力分布形式也不同。

(2)由车站梁板受力特点看出，车站整体可视为上部结构的条形基础。

(3)由于轴心受压，结构柱存在一定程度的压缩变形，且由于车站两侧压力荷载差别，导致存在变形差。

(4)车站整体沿重力方向有一定沉降，且两侧存在沉降差，和结构柱变形差一起，导致顶板两侧位移差约10 mm，在工程设计中应引起注意。

(5)该车站在地震荷载作用下，下部位移比上部位移要大，这和日常标准车站的倒梯形位移分布有所区别。

通过建模分析，对机场交通中心下方地铁车站的主体受力特点有了一定研究。近些年来，随着综合交通枢纽的理念不断完善和发展，与上部结构合建的地铁车站有很多，比如武汉天河机场站、郑州新郑机场站等。地铁建设的这一趋势，意味着套用传统的标准车站受力模式进行车站主体受力分析是有局限性的，荷载作用形式、位置、大小的变化，都会对结构内力产生影响，这种影响有时体现在结构应力分布方面，有时体现在结构不同部位的位移差。本文提供的仅是一种分析思路，结构设计应做到具体问题具体分析。