万尊坤
中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600
摘要：以南方地区某明挖地铁车站为计算实例，采用SAP2000有限元计算软件，分析了覆土厚度对结构内力的影响。通过计算分析，总结了车站在不同覆土厚度下的结构内力响应，提出车站顶板的覆土厚度在3m左右时，车站结构内力分配合理，能够充分发挥混凝土结构的性能。对于覆土较浅或者较深的车站，分别提出相应的处理措施及设计注意事项。
关键词：地铁车站；覆土厚度；内力影响。
1 引言
地铁车站顶板覆土厚度一般控制在3m左右，尽量避免出现覆土过浅或者过深的情况，以保证车站结构的安全性与经济性。但是伴随着越来越多的城市加入修建地铁的行列，一些车站出现顶板覆土过浅或者过深的情况，这对车站结构内力分布及变形产生了较大影响。王志杰[[[] 王志杰，何晟亚，袁晔. 地铁车站围护结构对主体结构内力与位移的影响研究[J]. 铁道建筑，2015（7）：65~67.]]研究了围护结构对结构内力的影响，王敏[[[] 王敏.地铁车站截面控制内力计算分析[J].现代城市轨道交通，2013( 3) : 72-75．]]从活载布置情况出发研究对结构内力的影响，王博[[[] 王博. 明挖地铁车站整体建模结构受力分析[J]. 铁道标准设计，2012（11）：75-78.]]对车站进行了三维空间分析。目前，关于车站覆土厚度对结构内力的影响还需进一步研究。
本文以南方某地铁明挖车站为依托，对车站覆土厚度为1m、2m、3m、4m、5m的情况分别进行计算，分析了覆土厚度对结构内力的影响。
2 工程简介
2.1 工程概况
本站为地下二层单柱双跨11m岛式站台车站，采用明挖顺作法施工，标准段宽19.7m，围护结构采用0.8m厚地连墙，地连墙与车站框架结构形成复合体系[[[]刘小俊，蒋雅君，马鹏远等. 明挖地铁车站主体结构最不利设计水位分析[J]. 铁道标准设计，2016（9）：113-117.]]。
2.2 工程地质与水文地质
本站基坑开挖范围内土层分布主要为：①3素填土、③1黏土、③2粉质粘土、③3粉土、④2粉土夹粉砂、⑤1粉质粘土、⑦1粉质粘土，车站底板位于④2粉土夹粉砂。本站抗浮水位按地面下0.5m取值。
2.3 结构尺寸
根据车站设计经验，拟定本站结构各部位尺寸为：顶板800mm，中板400mm，底板900mm，侧墙700mm，中柱为700*1200mm，除中柱采用C50外，其余均为C35。
3 计算原理及模型建立
3.1 计算模型
车站明挖结构采用现浇整体式框架结构[[[]周小华.地铁车站箱形结构计算浅析［J］．铁道建筑技术，2003（2）: 14-16．]]，使用阶段考虑地连墙参与车站抗浮。侧墙承受全部侧向静止水压力，地下连续墙承受侧向静止土压力，并把地连墙刚度折减50%后带入计算模型。
车站主体结构计算按底板作用在弹性地基上的平面闭合框架结构进行内力分析[[[]蔡四维.弹性地基梁解法［M］．上海: 上海科学技术出版社，1962.]]，采用SAP2000有限元计算软件。本文仅对正常使用极限状态进行内力计算。
3.2 荷载计算
(1)主要荷载取值
车站在正常使用极限状态下所受荷载主要分为永久荷载与可变荷载[[[]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50009-2012 建筑结构荷载规范[S].北京: 中国建筑工业出版社，2012.]]。
(2)荷载组合分项系数
荷载组合取准永久组合，永久荷载的分项系数取1.0，可变荷载的分项系数取0.6，地铁车站结构重要性系数为1.1。
(3)荷载计算
模型统一取车站中心里程处框架结构及该处地质条件，仅改变覆土厚度，车站在不同覆土情况下的荷载值见表1。结构自重由软件自动计入。
表1 1m/2m/3m/4m/5m覆土下荷载值
4 计算结果及分析
经计算，顶板、中板、底板、侧墙的准永久组合弯矩图统计结果分别见图1~图4。
从计算结果可以看出：
(1)随着顶板覆土厚度的增加，顶板结构支座处负弯矩与跨中正弯矩、中板结构侧墙处负弯矩、底板结构在中柱端负弯矩、侧墙结构顶板处负弯矩与跨中正弯矩在不断增大。相反，中板结构中柱端负弯矩与跨中正弯矩随着覆土厚度的增加而逐渐减小。底板结构侧墙端负弯矩与跨中正弯矩、侧墙结构底板处负弯矩随着覆土厚度的增加先减小后增大。
(2)随着顶板覆土厚度的增加而弯矩增大的结构板墙控制点中，顶板与侧墙交接处负弯矩受影响最大，弯矩增大约10倍，1m、5m覆土时弯矩分别为76 kN?m、758 kN?m。底板中柱端负弯矩由1m覆土时的276 kN?m增至5m覆土时的1080 kN?m，弯矩增大804 kN?m。顶板跨中弯矩增幅也较大，弯矩由1m覆土时的229 kN?m增至5m覆土时的597kN?m，弯矩增大368kN?m。
(3)随着顶板覆土厚度的增加，中板结构中柱端负弯矩与跨中正弯矩随着覆土厚度的增加而逐渐减小。且减小幅度较小，覆土由1m增至5m后，弯矩分别由91kN?m减小至83 kN?m、241 kN?m减小至167kN?m。
(4) 底板结构侧墙端负弯矩与跨中正弯矩、侧墙结构底板处负弯矩随着覆土厚度的增加先减小后增大。总体来说，随着覆土厚度的变化，弯矩变化幅度均较小，最大弯矩相比最小弯矩变化幅度分别为10%、35%、10%。此外，底板结构侧墙端负弯矩及跨中正弯矩的变化规律一致，随着覆土增加，弯矩先小幅度减小后小幅度增加。
(5) 结构顶板覆土厚度为1m、2m时，结构板墙控制点内力分配不协调。1m覆土时，顶板结构侧墙端弯矩、跨中弯矩分别为76 kN?m、229 kN?m，远小于顶板中柱端789 kN?m的弯矩，底板中柱端弯矩为276 kN?m，远小于底板侧墙端1155 kN?m的弯矩，侧墙顶板处弯矩、跨中弯矩也远小于侧墙底板处1155 kN?m的弯矩，弯矩较小处不能充分发挥混凝土结构的性能。覆土厚度为2m时，结构板墙控制点内力分配相比1m覆土情况有所改善，但内力分配扔不协调。当覆土厚度达到3m及以上时，结构板墙控制点内力分配较协调，能够充分发挥混凝土结构的性能并使结构配筋更加合理[[[]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010-2012 混凝土结构设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社，2010．]]。
5 结论及建议
(1) 当车站抗浮水位较高，结构顶板覆土厚度较小时，结构板墙控制点内力分配不协调，顶板结构跨中与侧墙端位置、底板中柱端位置、侧墙顶板处与跨中位置弯矩值均偏小，这将导致这些结构控制点位置配筋率偏低，不能充分发挥混凝土结构的性能。因此，在具体工程设计中，地铁车站应尽量避免出现覆土厚度较浅的情况，同时也应避免出现覆土厚度过深，否则内力值较大，需要加大结构尺寸、增大基坑深度，不仅增加工程造价，也会扩大基坑施工风险。
(2)对于高水位且覆土较浅的情况，地连墙需参与抗浮，此时为改善结构内力分配，建议在底纵梁下方或者底板其他合适位置设置抗拔桩，模拟竖向约束弹簧，使结构板墙内力分配协调。
参考文献：
[] 王志杰，何晟亚，袁晔. 地铁车站围护结构对主体结构内力与位移的影响研究[J]. 铁道建筑，2015（7）：65~67.
[] 王敏.地铁车站截面控制内力计算分析[J].现代城市轨道交通，2013( 3) : 72-75．
[] 王博. 明挖地铁车站整体建模结构受力分析[J]. 铁道标准设计，2012（11）：75-78.
[]刘小俊，蒋雅君，马鹏远等. 明挖地铁车站主体结构最不利设计水位分析[J]. 铁道标准设计，2016（9）：113-117.
[]周小华.地铁车站箱形结构计算浅析［J］．铁道建筑技术，2003（2）: 14-16．
[]蔡四维.弹性地基梁解法［M］．上海: 上海科学技术出版社，1962.
[]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50009-2012 建筑结构荷载规范[S].北京: 中国建筑工业出版社，2012.
[]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010-2012 混凝土结构设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社，2010．
论文作者:万尊坤
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/10/15
标签：弯矩论文; 结构论文; 车站论文; 顶板论文; 覆土论文; 内力论文; 厚度论文; 《防护工程》2018年第11期论文;