北京地铁明挖车站的结构设计论文

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摘要:采用明挖法施工的地下车站结构受力特点,围护和主体设计原则、计算模型的建立及施工要点。

关键词:地铁车站;明挖法;结构设计

地铁车站的结构根据施工的工法可分为明挖、盖挖及暗挖三种形式,明挖车站结构受力合理,使用功能好,施工方法简单,技术成熟,工期短,造价低,是浅埋地铁车站的主要形式。

1结构设计原则

(1)车站结构应根据选择的结构型式、施工方法、荷载特性等条件进行设计。(2)车站结构要满足车站建筑、设备安装、行车运营、施工工艺、环境保护等要求,确保车站的正常使用,达到总体规划设计的要求。(3)车站结构的净空尺寸应满足地铁建筑限界和其他使用及施工工艺等要求,并考虑施工误差、测量误差、结构变形及后期沉降的影响。(4)对于不同的结构类型,必须选择与实际状态相吻合的设计理论规范和配套体系进行设计计算。(5)结构计算模型应符合实际工况条件,充分考虑结构与地层的相互作用和施工中已形成的支护结构的作用。(6)车站结构按八度抗震设防,抗震等级为二级。(7)车站结构设计应充分考虑在施工过程中尽可能减小对车站周围环境(重要建筑物、城市交通干道及地下管线)的负面影响。

2荷载计算及组合

(1)北京地区的土层一般为上部粘土层,中间为细砂及中砂,下部为卵砾层,地质情况还是较好的。土层压力在施工阶段根据土层情况采取水土分算或水土合算,基坑开挖面以上采用朗金土压力公式,对于连续墙及灌注桩围护结构,基坑开挖面以下外侧土压力采用矩形分布,内侧模拟为土弹簧。基坑外侧超载一般取20ＫＰａ。

(2)主体结构主要荷载有:结构自重、土压力、设备荷载、人群荷载、地面车辆超载、地震力及人防荷载。

设备荷载:设备区按8ｋＮ/ｍ2计算,对个别超重设备考虑其运输路径对结构的影响。

地面超载:地面超载按20ｋＮ/ｍ2计算。

站内人群荷载:站台、站厅、楼梯、车站管理人员用房等部位的人群荷载按4ｋＮ/ｍ2计算。

(3)地铁车辆荷载:根据列车所采用的车辆轴重、排列和制动力计算。

地震力及人防荷载根据相应规范计算。

荷载组合参照表1,计算中考虑荷载的.最不利组合。

3工程材料

(1)混凝土强度等级:连续墙及灌注桩Ｃ30,车站内部结构Ｃ30～Ｃ40。混凝土抗渗等级≥Ｓ8。

(2)钢筋:受力钢筋、构造钢筋及土钉采用ＨＲＢ335级钢筋为主,箍筋可采用ＨＰＢ235级钢筋。

(3)钢结构构件一般采用Ｑ235钢。

4基坑围护结构

(1)根据《建筑基坑支护技术规程》,地下车站的基坑的安全等级及基坑变形控制保护等级一般为一级,γ=1.10,并按此等级对基坑稳定性及变形进行验算。

(2)采用明挖法施工的车站,基坑范围内的管线需改移或采取悬吊、架空等措施,基坑设计一般不考虑周边管线保护要求。对于基坑周边一定范围内的建筑物和构筑物,基坑应根据有关规程及安全等级采取相应的防护措施。

(3)围护结构类型选择

根据地下车站的结构形式、埋深、场地地质情况及周边环境,同时参考北京地区地下工程建设经验,地下车站主体结构部分的基坑围护一般采用地下连续墙、灌注桩及土钉墙等几种形式。

(4)对于采用连续墙及灌注桩围护形式的围护结构,支锚一般单独采用内支撑及锚索或两者结合使用,内支撑一般采用600或800的钢管,壁厚14～16ｍｍ,横向间距一般为3米,竖向间距一般为5～6米,锚索一般采用钢绞线。

(5)根据坑底土层的工程力学指标,经墙体的抗滑动、抗倾覆、抗隆起、整体稳定、抗管涌等验算,确定连续墙及围护桩入土深度。

(6)围护结构计算。对于连续墙及灌注桩,计算时将其模拟为竖向弹性地基梁,采用有限元分析方法计算,计算时需根据基坑开挖、加撑和内部结构回筑、拆撑的不同工况,分步计算结构的内力、基坑位移、地面沉降,并验算基坑的抗滑移、抗隆起、抗倾覆、内部稳定性、整体稳定性。

5主体结构

5.1结构型式

根据车站站型,结构型式一般为长条型地下不同层数和跨数的现浇钢筋混凝土框架结构型式。车站顶、中、底板可设计为梁板体系,顶板也可设计成密肋楼盖等型式。车站立柱一般为矩形、圆形,也可选用其他形状。

5.2计算标准及模型假定

5.2.1一般原则

(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5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)对于采用连续墙及灌注桩围护形式的围护结构,连续墙及灌注桩在施工期间作为基坑支护结构,考虑承担施工期间全部的侧向土压力。待内部结构完成后,在车站使用期间作为侧墙的一部分,与内墙共同受力。

5.2.2计算模型

车站主体结构一般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物计算,采用荷载-结构模型平面杆系有限单元法。

5.2.3计算基本假定

(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。基坑底面以上为实际三角形分布,地面以下为矩形分布。

(2)对于采用围护桩及连续墙的支护结构,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。

6总结

本文阐述了明挖车站结构的一般设计原则,简要介绍了基坑围护结构一般类型及相关设计数据,并以典型车站结构形式说明了主体结构荷载类型和计算模型的建立原则。由于地铁车站周边环境、地下管线一般都比较复杂,情况差异很大,所以在具体设计中可根据具体条件做出相应调整。

参考文献:

[1]ＧＢ50007-2022建筑地基基础设计规范[Ｓ]

[2]ＧＢ