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摘要：主要介绍了某地铁换乘车站换乘节点的计算分析及设计，探讨了设计中需要注意的一些问题和设计密切结合施工的意义。
关键词：地铁；换乘车站
Abstract: The design of the subway exchange-station is introduced. The problem we should focus on and the significance of combining design with construction closely are discussed.
Keywords：subway；exchange-station
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
近年来，我国地铁运输系统迅猛发展，城市地铁线网也越来越密集，地铁换乘车站数量增长明显，本文以某换乘车站的设计出发探讨一下换乘车站的设计方法。
1 工程概况
某地铁车站位于两条规划建设线路的交汇点，顶板覆土3m，一期主体为双层明挖岛式车站，双排柱柱距纵向8m，沿纵向设梁，换乘节点区域为地下三层。本站远期线路为三层明挖岛式车站，换乘方式为T型岛岛换乘，换乘节点位于一期车站站台中部，与车站同时建设，预留远期线路建设条件。
2 计算模拟
车站标准段的计算在实际设计中多简化为单位纵向延米长度的平面框架进行计算，对框架中柱进行轴向刚度等效为延米截面，主体结构和围护结构视为复合墙结构（围护桩按抗弯刚度等效为墙），使用阶段主体结构和围护结构一起承载，两者之间考虑只有压力传递，土压力由两者共同承受，水压力全部由侧墙承受。土层对结构的作用采用分布水土压力及一系列只受压的弹簧进行模拟，将结构视为底板置于弹性地基上的平面框架结构进行分析。
对于车站标准段，在车站纵梁刚度相对较大的情况下，上述简化后的平面受力计算基本能满足设计要求，但是换乘节点区域空间受力特征明显，类似平面计算存在较大误差，所以建立三维计算模型，以分析换乘节点区域各构件的受力情况。本文采用Midas程序Gen模块建立模型。
2.1 模型单元选取
各层板以及侧墙均选择板单元，可以考虑面内变形和面外的弯曲、剪切变形，在单元剖分时选择四节点单元；梁、柱均选择梁单元。值得注意的是Midas Gen中梁单元每个节点是6个自由度，而板单元每个节点是5个自由度，没有板平面内转动自由度，所以遇到梁与板平面内搭接时如果单节点连接则无法传递梁端弯矩，必须在梁端附加建立一段刚性杆单元或者将梁单元伸入板内一定长度。
2.2 边界条件的确定
模型建立范围自节点区域向线路两端各延伸4个柱跨约32m，约束端头边界处梁及板的车站纵轴向平移自由度以及横轴向转动自由度，以模拟未建入部分的车站梁板对模型内构件的约束作用。地基土对模型的作用采用基本均布的只受压弹簧模拟。
围护结构与主体结构共同承担土侧压力，模型中如果建入围护结构，则在围护结构与主体结构间需建立大量只受压弹簧，计算量增幅明显，因空间模型整体计算量较大，考虑到对所关注区域计算精度影响不大，为节省计算时间，模型中不建入围护结构，土压力按围护结构和侧墙的抗弯刚度比直接分摊到侧墙上，土及围护结构对侧墙的作用同样采用一端固定的只受压弹簧模拟，根据土层类别及深度对弹簧刚度进行调整。
根据抗浮计算，车站标准段及换乘节点区域自重抗浮均不能满足要求，所以在标准段侧墙顶采用围护桩压顶抗浮，换乘节点区域采用抗拔桩抗浮。在车站侧墙顶部上方设置沿车站纵向的一系列刚度较大的只受压弹簧模拟压顶的作用，在节点底板桩位设置单个刚度较大的弹簧模拟抗拔桩的作用。建立模型并划分单元如图1：
图1 有限元模型
2.3 荷载输入
与普通民用建筑不同的是，地铁站的人群活载取值4.0kPa。除了常规的自重、水土压力、各项活荷载之外，换乘节点的负二层需要考虑地铁列车行驶的荷载，并且需要考虑动力系数，在整体计算时列车荷载可以按等效原则简化为均布荷载，在具体构件计算时，需要考虑轮压最不利布置。
3. 结果分析
综合考虑换乘楼梯及站台板的净宽以及建筑美观等因素，本车站换乘节点中柱选用的是直径1.1m的圆柱，节点边柱选用0.8m×1.1m的方柱，框架柱混凝土强度等级车站统一为C45，其它主体构件为C35。从计算结果来看，因为柱的轴压刚度相对侧墙来说较小，构件在节点范围内的竖向变形增幅明显，导致各层中纵梁及边纵梁出现不同程度的空间整体受力效果。
其中负二层纵梁最为显著。由于换乘节点负三层层高较高，为7.55m，负二层纵梁在节点区域内三跨出现整体下沉现象，弯矩与普通连续梁的弯矩分布相差甚远，同时由于负二层底板在节点区域以外主要承受向上的荷载及反力，在节点区域以内主要承受向下的自重及列车荷载，导致在不同工况下负二层纵梁的内力分布的趋势又截然不同，相比按荷载分摊简单估算的数值有较大区别。考虑水位低于底板的工况时，负二层中纵梁位于节点中柱处的中支座负弯矩减小，跨中弯矩增大，中跨跨中正弯矩接近中支座负弯矩的2倍；由于边支座位于荷载反向的转折点，受到边支座另一侧的反向正弯矩的影响，边支座反而出现正弯矩，同时引起边跨跨中弯矩进一步增大，甚至達到中支座弯矩的3~4倍。考虑最高水位的工况时，因为换乘节点中心区域自重抗浮严重不足，需要抗拔桩提供较大抗拔力，而节点负三层端侧墙（沿后期线路纵向）局部区域自重抗浮能满足要求，导致在节点中心区域出现一定程度的上拱现象，从而负二层纵梁出现明显的三跨共同反向受力的结果，三跨边支座出现正弯矩，中支座及中跨中均为负弯矩，在中支座处形成局部峰值，弯矩图如图2。
图2 负二层中纵梁弯矩图（最高水位）
顶板及负一层中纵梁经过各层框架的变形调节后类似特征相对不明显，相比支座沉降均匀的情况，考虑水位低于底板的工况时，节点内三跨边支座负弯矩增大，中支座弯矩减小；考虑最高水位的工况时，节点内三跨边支座负弯矩减小，中支座弯矩增大，同时对相邻外跨的弯矩有一定影响。
节点区域各层板也表现总体下沉或上拱的特征，在节点四个角点附近区域的板双向弯矩比标准断面的均有增大；包括标准断面区域，板在柱位周边的双向弯矩比在柱跨中的弯矩有增大，也超过了标准横断面按平面分析的弯矩，说明板除了传递一部分荷载给梁外，一部分荷载直接传递给竖向构件，会引起三维模型中梁的内力比按横断面分析假定板全部荷载传递给梁的结果要小。节点区域的侧墙由于仍仅受各层板的支承，除了转折位置外相比标准段仍基本保留了各跨单向受力的特征。
4. 设计及结语
在三维模型计算中，板局部双向内力峰值大于横断面分析结果，在实际地铁站设计中，由于楼面板各类型孔洞较多，各专业配合调整频繁，且由于设备最终购买确认的时间远远滞后于土建设计，完全按照三维分析结果对板进行设计是较不安全且可行性较低的，同时从兼顾施工方便性的角度考虑，具体设计中我们应适当加大梁板的相对刚度比，减弱板的柱位内力峰值，结合横断面分析结果和三维计算结果进行板设计。
三维模型中标准段梁的内力比按横断面分析得到的数值要小，换乘节点区域梁的部分截面内力比横断面分析（经过附加假定简化后）得到的数值要大，应综合各分析结果进行梁设计，如果按三维计算结果设计梁配筋则板配筋也应完全满足三维分析的要求。竖向构件的设计应注意复核侧墙在负二层底部及负三层的抗剪承载力，当截面不足时可能需要附加钢筋抗剪。地铁车站的框架柱与纵梁及侧壁相比截面薄弱，宜尽量加大柱截面尺寸，并加强柱箍筋配置。换乘节点与后期车站交界处的临时封堵的侧墙不是永久构件，可以考虑仅按承载力设计而不计算裂缝。为有利于远期车站施工，换乘节点区域先期施工段往外凸出一定长度，交驳位置框架柱与先期临时封堵侧墙分离设置；同时为了减小临时封堵墙拆除施工时对一期线路运营的影响，在负二层临时封堵墙内侧设置了一道半高混凝土墙将一期轨行区和后期车站隔离开来。
本文计算分析中只列出了先期施工时的工况，实际设计时应考虑后期车站建设封堵侧墙拆除时的工况以及后期车站建设完成时的工况。
参考文献
[1] GB50157-2003.地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.
[2] GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3] TB10002.1-2005.铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：地铁；换乘车站
Abstract: The design of the subway exchange-station is introduced. The problem we should focus on and the significance of combining design with construction closely are discussed.
Keywords：subway；exchange-station
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
近年来，我国地铁运输系统迅猛发展，城市地铁线网也越来越密集，地铁换乘车站数量增长明显，本文以某换乘车站的设计出发探讨一下换乘车站的设计方法。
1 工程概况
某地铁车站位于两条规划建设线路的交汇点，顶板覆土3m，一期主体为双层明挖岛式车站，双排柱柱距纵向8m，沿纵向设梁，换乘节点区域为地下三层。本站远期线路为三层明挖岛式车站，换乘方式为T型岛岛换乘，换乘节点位于一期车站站台中部，与车站同时建设，预留远期线路建设条件。
2 计算模拟
车站标准段的计算在实际设计中多简化为单位纵向延米长度的平面框架进行计算，对框架中柱进行轴向刚度等效为延米截面，主体结构和围护结构视为复合墙结构（围护桩按抗弯刚度等效为墙），使用阶段主体结构和围护结构一起承载，两者之间考虑只有压力传递，土压力由两者共同承受，水压力全部由侧墙承受。土层对结构的作用采用分布水土压力及一系列只受压的弹簧进行模拟，将结构视为底板置于弹性地基上的平面框架结构进行分析。
对于车站标准段，在车站纵梁刚度相对较大的情况下，上述简化后的平面受力计算基本能满足设计要求，但是换乘节点区域空间受力特征明显，类似平面计算存在较大误差，所以建立三维计算模型，以分析换乘节点区域各构件的受力情况。本文采用Midas程序Gen模块建立模型。
2.1 模型单元选取
各层板以及侧墙均选择板单元，可以考虑面内变形和面外的弯曲、剪切变形，在单元剖分时选择四节点单元；梁、柱均选择梁单元。值得注意的是Midas Gen中梁单元每个节点是6个自由度，而板单元每个节点是5个自由度，没有板平面内转动自由度，所以遇到梁与板平面内搭接时如果单节点连接则无法传递梁端弯矩，必须在梁端附加建立一段刚性杆单元或者将梁单元伸入板内一定长度。
2.2 边界条件的确定
模型建立范围自节点区域向线路两端各延伸4个柱跨约32m，约束端头边界处梁及板的车站纵轴向平移自由度以及横轴向转动自由度，以模拟未建入部分的车站梁板对模型内构件的约束作用。地基土对模型的作用采用基本均布的只受压弹簧模拟。
围护结构与主体结构共同承担土侧压力，模型中如果建入围护结构，则在围护结构与主体结构间需建立大量只受压弹簧，计算量增幅明显，因空间模型整体计算量较大，考虑到对所关注区域计算精度影响不大，为节省计算时间，模型中不建入围护结构，土压力按围护结构和侧墙的抗弯刚度比直接分摊到侧墙上，土及围护结构对侧墙的作用同样采用一端固定的只受压弹簧模拟，根据土层类别及深度对弹簧刚度进行调整。
根据抗浮计算，车站标准段及换乘节点区域自重抗浮均不能满足要求，所以在标准段侧墙顶采用围护桩压顶抗浮，换乘节点区域采用抗拔桩抗浮。在车站侧墙顶部上方设置沿车站纵向的一系列刚度较大的只受压弹簧模拟压顶的作用，在节点底板桩位设置单个刚度较大的弹簧模拟抗拔桩的作用。建立模型并划分单元如图1：
图1 有限元模型
2.3 荷载输入
与普通民用建筑不同的是，地铁站的人群活载取值4.0kPa。除了常规的自重、水土压力、各项活荷载之外，换乘节点的负二层需要考虑地铁列车行驶的荷载，并且需要考虑动力系数，在整体计算时列车荷载可以按等效原则简化为均布荷载，在具体构件计算时，需要考虑轮压最不利布置。
3. 结果分析
综合考虑换乘楼梯及站台板的净宽以及建筑美观等因素，本车站换乘节点中柱选用的是直径1.1m的圆柱，节点边柱选用0.8m×1.1m的方柱，框架柱混凝土强度等级车站统一为C45，其它主体构件为C35。从计算结果来看，因为柱的轴压刚度相对侧墙来说较小，构件在节点范围内的竖向变形增幅明显，导致各层中纵梁及边纵梁出现不同程度的空间整体受力效果。
其中负二层纵梁最为显著。由于换乘节点负三层层高较高，为7.55m，负二层纵梁在节点区域内三跨出现整体下沉现象，弯矩与普通连续梁的弯矩分布相差甚远，同时由于负二层底板在节点区域以外主要承受向上的荷载及反力，在节点区域以内主要承受向下的自重及列车荷载，导致在不同工况下负二层纵梁的内力分布的趋势又截然不同，相比按荷载分摊简单估算的数值有较大区别。考虑水位低于底板的工况时，负二层中纵梁位于节点中柱处的中支座负弯矩减小，跨中弯矩增大，中跨跨中正弯矩接近中支座负弯矩的2倍；由于边支座位于荷载反向的转折点，受到边支座另一侧的反向正弯矩的影响，边支座反而出现正弯矩，同时引起边跨跨中弯矩进一步增大，甚至達到中支座弯矩的3~4倍。考虑最高水位的工况时，因为换乘节点中心区域自重抗浮严重不足，需要抗拔桩提供较大抗拔力，而节点负三层端侧墙（沿后期线路纵向）局部区域自重抗浮能满足要求，导致在节点中心区域出现一定程度的上拱现象，从而负二层纵梁出现明显的三跨共同反向受力的结果，三跨边支座出现正弯矩，中支座及中跨中均为负弯矩，在中支座处形成局部峰值，弯矩图如图2。
图2 负二层中纵梁弯矩图（最高水位）
顶板及负一层中纵梁经过各层框架的变形调节后类似特征相对不明显，相比支座沉降均匀的情况，考虑水位低于底板的工况时，节点内三跨边支座负弯矩增大，中支座弯矩减小；考虑最高水位的工况时，节点内三跨边支座负弯矩减小，中支座弯矩增大，同时对相邻外跨的弯矩有一定影响。
节点区域各层板也表现总体下沉或上拱的特征，在节点四个角点附近区域的板双向弯矩比标准断面的均有增大；包括标准断面区域，板在柱位周边的双向弯矩比在柱跨中的弯矩有增大，也超过了标准横断面按平面分析的弯矩，说明板除了传递一部分荷载给梁外，一部分荷载直接传递给竖向构件，会引起三维模型中梁的内力比按横断面分析假定板全部荷载传递给梁的结果要小。节点区域的侧墙由于仍仅受各层板的支承，除了转折位置外相比标准段仍基本保留了各跨单向受力的特征。
4. 设计及结语
在三维模型计算中，板局部双向内力峰值大于横断面分析结果，在实际地铁站设计中，由于楼面板各类型孔洞较多，各专业配合调整频繁，且由于设备最终购买确认的时间远远滞后于土建设计，完全按照三维分析结果对板进行设计是较不安全且可行性较低的，同时从兼顾施工方便性的角度考虑，具体设计中我们应适当加大梁板的相对刚度比，减弱板的柱位内力峰值，结合横断面分析结果和三维计算结果进行板设计。
三维模型中标准段梁的内力比按横断面分析得到的数值要小，换乘节点区域梁的部分截面内力比横断面分析（经过附加假定简化后）得到的数值要大，应综合各分析结果进行梁设计，如果按三维计算结果设计梁配筋则板配筋也应完全满足三维分析的要求。竖向构件的设计应注意复核侧墙在负二层底部及负三层的抗剪承载力，当截面不足时可能需要附加钢筋抗剪。地铁车站的框架柱与纵梁及侧壁相比截面薄弱，宜尽量加大柱截面尺寸，并加强柱箍筋配置。换乘节点与后期车站交界处的临时封堵的侧墙不是永久构件，可以考虑仅按承载力设计而不计算裂缝。为有利于远期车站施工，换乘节点区域先期施工段往外凸出一定长度，交驳位置框架柱与先期临时封堵侧墙分离设置；同时为了减小临时封堵墙拆除施工时对一期线路运营的影响，在负二层临时封堵墙内侧设置了一道半高混凝土墙将一期轨行区和后期车站隔离开来。
本文计算分析中只列出了先期施工时的工况，实际设计时应考虑后期车站建设封堵侧墙拆除时的工况以及后期车站建设完成时的工况。
参考文献
[1] GB50157-2003.地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.
[2] GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3] TB10002.1-2005.铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。