章地鐵與輕軌交通的結構設計

節地鐵車站結構計算

力建學院道橋系2021/6/271本節主要內容4.1地鐵車站的荷載類型4.2荷載計算方法（重點）4.3結構計算模型（重點）4.4結構計算2021/6/2724.1荷載類型人群人群車輛2021/6/2734.1荷載類型永久荷載：是地下車站結構承受的主要靜力荷載，在設計基準期內其量值不隨時間變化。一般主要包括結構自重、地層壓力、地下水壓力、地層反力和彈性抗力等。可變荷載：地面車輛荷載及動力作用和側向土壓力、地鐵車輛荷載(包括沖擊力、搖擺力、離心力)及人群荷載。其它可變荷載還有溫度變化、施工荷載(施工機具、盾構千斤頂推力、注漿壓力)等。

偶然荷載：地震力、爆炸力、沉船、拋錨或河道疏浚產生的撞擊力等災害性荷載。2021/6/2744.2荷載計算方法（1）地層壓力計算

深埋巖石隧道：隧道周圍破碎圈內的巖體重量，圍巖松動壓力按《鐵路隧道設計規范》進行計算。概率極限狀態法設計破損階段設計法容許應力設計法其中，γ為圍巖的重度（KN/m3）；S為圍巖的級別；B為洞室的跨度，當B<5m，取i=0.2，當B＞5m，取i=0.1。水平勻布壓力圍巖級別Ⅰ～ⅡⅢⅣⅤⅥ水平均布壓力0<0.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q等于上覆地層的重量？2021/6/275圍巖松動壓力高度h的確定變形階段松動階段塌落階段成拱階段h2021/6/276土質隧道豎向壓力①填土隧道和淺埋暗挖隧道，按全部土柱重量計算。②深埋暗挖隧道或覆蓋層厚度大于（1D～2D）砂性土層中的暗挖隧道，豎向均布土壓力可按太沙基公式或普氏公式計算。③明挖隧道按1.1～1.12乘以全部土柱重量計算。

側向壓力2021/6/2774.2荷載計算方法

（2）靜水壓力計算計算方法：砂土地層施工階段和使用階段均采用水土分算；粘土地層施工階段采用水土合算，使用階段水土分算。水土分算：地下水位以上采用天然土容重；水位以下采用有效容重，靜水壓力另外計算。水土合算：地下水位以上采用天然土容重水位以下采用飽和容重，不計靜水壓力地下水位的確定圓形結構按最低水位計算。矩形結構按最高水位計算。天然土容重水土分算有效容重靜水壓力天然土容重飽和容重水土合算2021/6/2784.2荷載計算方法（3）地面車輛荷載計算方法豎向壓力

地面車輛荷載可按下述方法簡化為勻布荷載：單個輪壓力傳遞的豎向壓力：

兩個以上輪壓傳遞的豎向壓力：2021/6/279（3）地面車輛荷載計算方法在道路下方的淺埋暗挖地鐵車站，地面車輛荷載可按10kPa的均布荷載取值，不計沖擊力的影響。當無覆蓋層時，地面車輛荷載則應按集中力考慮，并用影響線加載法求出最不利荷載位置。

側向壓力按下式計算：式中，-水平側壓力系數；

-地面車輛輪壓傳遞到計算深度Z處的豎向壓力；

-地面車輛輪壓傳遞到計算深度Z處的側向壓力。2021/6/27104.2荷載計算方法（4）地震荷載計算方法地震對地下車站的影響有兩方面：剪切錯位和振動。地震對深埋隧道影響較小，而對淺埋隧道，尤其是松軟地層中的淺埋隧道影響較為嚴重。

地鐵車站抗震烈度為7度，設防分類為乙級，按8度采取相應抗震構造措施，抗震等級定為二級，以提高結構和接頭處的整體抗震能力。日本大開車站2021/6/2711（4）地震荷載計算方法地鐵結構采用實用計算方法，即靜力法(地震系數法)或擬靜力法(地層位移法)。松軟地層中的重要地鐵車站進行地震響應分析和動力模型試驗。靜力法或擬靜力法：將隨時間變形的地震力或地層位移用等代的靜地震荷載或靜地層位移代替，然后再用靜力計算模型分析地震荷載或強迫地層位移作用下的結構內力，其量值略大于動力響應分析值。適用性：適用于設計加速度較小、動力相互作用不突出的結構，不能用于地震時土體剛度有明顯降低或產生液化的場合。優點：計算方法較簡單，工作量小、參數易確定。缺點：不能反映材料動力特性及結構間動力響應、動力耦合。2021/6/27124.2荷載計算方法（5）結構內部車輛荷載軌道在隧道底板上：拉應力一般小于0.5MPa，可忽略。軌道在中層樓板上：考慮車輛荷載和沖擊力。列車產生的離心力，其大小等于列車靜活載乘以離心力率C，C值按下式計算：離心力作用于軌頂以上車輛重心處。列車制動力或牽引力應按列車豎向靜活載的15％計算，當與離心力同時計算時，可按豎向靜活載10％計算。（6）其它荷載

地表施工機具荷載，一般取20kPa；車站上部有建筑物時，應計入其荷載；人群荷載：站臺、樓板和樓梯標準值值為4kN/m2。2021/6/27134.3荷載組合結構計算荷載應根據上述三類荷載同時存在的可能性進行最不利組合。對于淺埋地鐵結構，以基本組合永久荷載+可變荷載設計。在特殊情況下，如七度以上地震區，或有戰備要求等才有必要按偶然組合，即三類荷載都考慮進行驗算。2021/6/27144.4結構計算模型（1）計算模型主動荷載模型：不考慮結構與地層共同作用，除結構底部受地層約束外，其它部分在主動荷載作用下可以自由變形。適用于結構與地層“剛度比”較大的情況，較弱的地層沒有“能力”去限制襯砌結構的變形。2021/6/2715主動荷載+地層彈性約束模型：地層不僅對襯砌結構施加主動荷載(地層壓力)，還對襯砌結構施加被動彈性抗力。襯砌結構在主動荷載和地層的被動彈性抗力共同作用下進行工作。該模型適用于各類地層，只是各類地層所能產生的彈性抗力大小和范圍不同。2021/6/2716地層-結構模型：圍巖與結構共同構成承載體系，荷載來自地層的初始應力和施工所引起的應力釋放，結構內力與地層重分布應力一起按連續介質力學方法計算。2021/6/2717（2）基底反力Winkler彈性基礎理論計算公式式中，δi為地層表面某點所產生的壓縮變形；

σi為地層在同一點所產生的彈性抗力；

K為地層的彈性抵抗系數。基底反力和彈性抗力的大小和分布形態取決于襯砌結構的變形，而結構變形又和反力或彈性抗力有關。采用迭代法求解超靜定結構問題，可采用結構力學方法和有限元法，有限元方法建立模型較為容易，適用更為廣泛，求解更為靈活。2021/6/27184.5結構靜力計算方法（1）明挖箱形襯砌主動壓力基底反力：方法1：靜力平衡法；方法2：Winkler彈性基礎理論。基底反力2021/6/2719（2）暗挖馬蹄形襯砌結構（采用主動荷載模型）彈性地基梁圖示（等直桿單元+彈性地基等直梁單元）彈性支撐連桿圖示（全部為等直梁單元、鏈桿代替彈性抗力）2021/6/27204.6結構靜力驗算（1）基本組合構件強度計算；（2）短期效應組合構件裂縫寬度驗算；（3）短期效應組合構件變形計算；（4）地震荷載作用下構件強度驗算；（5）人防荷載作用下構件強度驗算；（6）構件抗浮穩定驗算。2021/6/2721抗浮阻力=結構自重+覆土重量+地下墻可用的抗浮摩阻力浮力=作用于底板上的全部浮力不計活荷載、后期施工的樓、地面面層和裝飾重量。地下墻摩阻力為5kPa；抗浮安全系數大于1.1；地下水位取地面以下0.5m。底板施工完成后，其它結構和覆土重量尚未加上，若底板不設倒濾層，必須在底板上設置泄水孔，以減少底板浮力，避免結構上浮，待頂板覆土和上部結構完成后，再將泄水孔封閉。2021/6/27224.7小結荷載計算荷載組合建立模型結構計算結構驗算是結束否結構設計2021/6/2723課后習題襯砌壁厚δ=50cm隧道外徑D=6m隧道頂部填土高度H=15m地下水位