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摘要：地铁车站作为地下结构，其受力状态与车站区域地下水位直接相关。本文以武汉轨道交通6号线某车站为例，对车站主体结构赋予不同的地下水位，建立平面荷载结构模型分析车站主体结构内力变化情况。简要总结车站内力随水位变化的趋势，并对结构设计提供几点参考建议。
关键词：地下水位；车站结构；gap单元；内力变化
中图分类号： TV551.4+12 文献标识码： A 文章编号：
Analysis of internal forces of subway station structures due to the change of groundwater level
Wu Yong，Yin Kai
(Rail Engineering，CCCC Second Highway Consultants Co, Ltd. P.C.，430056，Wuhan，China)
Abstract：As underground structure，the stress state of subway station directly related to the groundwater level. A station of Wuhan Metro Line 6 as a case，this paper establishes a Load–structure model of two-dimensional with assigning different groundwater level to analyse the internal force variation of structure. This paper also gives a summary about how the internal forces changing with different groundwater level，and offer several suggestions.
Keywords: groundwater level; station structure; gap link; internal force variation
1、引言
随着城市化进程的逐步加速，我国的地铁建设也将迎来高速发展，截止目前全国已有22个城市的地铁规划已经获得国务院批复。作为地下结构，地铁的建设无疑会涉及到结构设防水位的问题。地下水位的取值除直接影响车站的抗浮外，还会对结构的受力状态造成明显影响。本文以武汉轨道交通6号线某车站结构标准段为例，对该车站结构标准断面赋予不同的地下水位进行计算，反映随着地下水位的变化，结构受力变化情况。
2、车站概况及建模
2.1车站概况
武汉轨道交通6号线某车站标准段为地下二层双跨箱型结构，标准段宽度21.1m。车站结构尺寸为：顶板厚0.9m，底板厚1.0m，中板厚0.45m，侧墙厚0.7m，中柱尺寸为0.8m×1.2m(柱间距8m)。车站围护结构采用地下连续墙，墙厚取0.8m，连续墙嵌固深度为11m，按复合墙考虑。车站顶板覆土取4m。
场区土层从上之下依次为：杂填土层、淤泥质粉质粘土层、粘土层、粘土夹粉土、粉砂层、粉质粘土层、粉细砂层。车站底板位于粉质粘土层。土层参数见表1：
表1车站区域土层参数表
2.2车站结构建模
本结构建模采用SAP2000结构软件，取沿车站纵向单位宽度结构来计算车站结构标准段的在不同地下水位下的受力情况。为尽量反映结构的实际受力情况，需考虑地连墙对结构的有利作用，将地连墙按复合墙进行考虑[1]，地下连续墙与车站侧墙结构之间通过仅能传递压力、不能传递剪力和弯矩且变形可忽略的gap单元[2]进行模拟，该gap单元刚度数量级应高于普通杆件刚度几个等级。各层板、墙、柱等结构构件均简化为杆件，取每米为一计算单元，柱的刚度按纵向柱距分配至每米单元计算。地下连续墙也可简化为杆件， 围护结构参与主体结构计算时，考虑围护结构是临时结构，对围护结构的刚度按折减一半进行考虑。
结构底板及地连墙直接与土接触，需考虑土对其的约束。对于地连墙，按两部分考虑土对其约束，地连墙与结构侧墙叠合的部分，可用仅承受压力不承受拉力的gap单元模拟土对该部分地连墙的约束，该gap单元的刚度取值Kg1= Kx·B·S(Kx为地连墙单元所在地层的水平基床系数，B取1m，S为受约束节点两边单元长度和的一半) [3]；对于另一部分，可用土弹簧模拟土的约束作用，土弹簧刚度取值方法同Kg1。对于结构底板，可用仅承受压力的gap单元模拟土的约束作用，Kg2= Kv·B·S(Kx为地连墙单元所在地层的水平基床系数，B取1m，S为受约束节点两边单元长度和的一半)。
车站结构为满足抗浮要求，在结构顶板处设置抗浮梁，利用地连墙的自重及侧摩阻力来进行抗浮。可在顶板抗浮梁处施加竖向的仅承受压力的gap单元模拟围护结构对结构的竖向约束。
结构设计所考虑的计算荷载及分项系数的取值按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）和地铁车站的使用要求确定。结构承受的主要荷载有：(1)结构自重：由计算程序自动计算；(2)地层压力；(3)水压力及浮力；(4)地面超载20kPa；(5)人群荷载4kPa (6)列车荷载：列车荷载及其动力荷载; (7)地震荷载：按6度地震作用计算。(8)人防荷载：抗力级别为6级等。
分别取地下水位为：地面、地下2m、地下4m (顶板处) 、地下6m、地下8m、地下10m (中板处)、地下12m、地下14m、地下16m、地下18m (底板处)对结构进行计算。
结构断面及计算模型见图1、图2：
图1 车站结构标准段断面图图2 车站结构标准段计算模型图
3、计算结果及分析
为方便分析，仅采用结构荷载的准永久组合计算结果来进行分析。
3.1结构控制截面弯矩随水位下降的变化情况及分析
地下水埋深/m
图3 车站结构弯矩随水位埋深变化
从计算结果看，随着地下水位的下降，结构控制截面弯矩的变化呈三种情况：
(1)弯矩减小
侧墙在中板处的截面负弯矩、侧墙跨中正弯矩、底板在侧墙处的负弯矩(侧墙在底板处负弯矩)均随着地下水位的下降而减小。其中侧墙在中板处的截面负弯矩、侧墙跨中正弯矩减小幅度均在30%左右，减小速度先快后慢。底板在侧墙处的负弯矩减小幅度为23%，减小速度较为均匀。以上各弯矩减小的原因在于，随着地下水位的降低，结构侧墙的水土侧压力及底板的水土反力均逐渐减小。
(2)弯矩基本维持不变
顶板在侧墙(侧墙在底板处负弯矩)及中间支座的负弯矩、顶板跨中正弯矩、底板跨中弯
矩均随着地下水位的下降而近似不变。頂板各控制截面弯矩基本维持不变的原因在于水位变化不影响车站顶板水土压力。
(3)弯矩增大
底板中间支座处的负弯矩随着地下水位的下降反而逐渐增大且近似成正比关系，弯矩增
幅约为8%。可见随着水位的降低，底板中间支座受地基弹簧的约束有所增大。
3.2结构控制截面轴力及剪力随水位下降的变化情况及分析
图4 车站结构轴力随水位埋深变化图5 车站结构剪力随水位埋深变化
由图4可见，随着地下水位的下降，结构控制截面轴力的变化呈三种情况：
(1)轴力基本维持不变
结构侧墙及中柱轴力随水位的下降而基本维持不变。
(2)轴力减小
结构顶、中、底板轴力随水位的下降而减小，其减幅分别为14.5%、32.5%、22.5%。
由图5可见，随着地下水位的下降，结构控制截面剪力的变化呈三种情况：
(1)剪力基本维持不变
结构顶、中板最大剪力随水位的下降而基本维持不变。
(2)剪力减小
结构侧墙及底板最大剪力随水位的下降而减小，其减幅分别为17.5%、31.5%。
4、总结
(1)随着车站区域地下水位的降低，除底板中间支座负弯矩会有有限的增加外，车站结构的内力或者减小或者维持不变。因而总的来说，对于地铁车站及类似市政地下结构而言，水位越低，结构受力状况越有利，结构尺寸及配筋越有优化的余地，也能适当地降低工程成本。现有的岩土工程勘察报告只提及最高水位及常年平均水位，因此，设计人员出于安全考虑，通常以最高水位作为设计水位，这显然会降低车站的经济性[4]。所以在进行车站设计时，选择合理的设计水位是很有必要的。
(2)在车站正常使用阶段，车站的地下水位是随着季节、年限反复变化的。由于底板中间支座负弯矩会随水位的降低而增加，所以在对车站结构进行计算时，不仅应计算车站结构在最高水位的内力，还应计算车站结构在最低水位的内力，最终取结构控制截面的最不利内力来确定结构尺寸及配筋。
参考文献：
[1] 徐向辉. 明挖地铁车站叠合墙与复合墙方案比选[J].铁道标准设计 2005；(12)：77-80.
[2] 李铭军.地铁车站端头井内部结构的整体计算[J].地下工程与隧道2006；(2)：53-54.
[3] 苏晓文，陈来发，周丹. 武汉地铁4号线罗家港站主体结构设计研究[J].人民长江2011, 42(20)：89-92.
[4] 李镜培，孙文杰. 地下结构的浮力计算与抗拔桩设计方法研究[J].结构工程师2007, 23(2)：80-84.
关键词：地下水位；车站结构；gap单元；内力变化
中图分类号： TV551.4+12 文献标识码： A 文章编号：
Analysis of internal forces of subway station structures due to the change of groundwater level
Wu Yong，Yin Kai
(Rail Engineering，CCCC Second Highway Consultants Co, Ltd. P.C.，430056，Wuhan，China)
Abstract：As underground structure，the stress state of subway station directly related to the groundwater level. A station of Wuhan Metro Line 6 as a case，this paper establishes a Load–structure model of two-dimensional with assigning different groundwater level to analyse the internal force variation of structure. This paper also gives a summary about how the internal forces changing with different groundwater level，and offer several suggestions.
Keywords: groundwater level; station structure; gap link; internal force variation
1、引言
随着城市化进程的逐步加速，我国的地铁建设也将迎来高速发展，截止目前全国已有22个城市的地铁规划已经获得国务院批复。作为地下结构，地铁的建设无疑会涉及到结构设防水位的问题。地下水位的取值除直接影响车站的抗浮外，还会对结构的受力状态造成明显影响。本文以武汉轨道交通6号线某车站结构标准段为例，对该车站结构标准断面赋予不同的地下水位进行计算，反映随着地下水位的变化，结构受力变化情况。
2、车站概况及建模
2.1车站概况
武汉轨道交通6号线某车站标准段为地下二层双跨箱型结构，标准段宽度21.1m。车站结构尺寸为：顶板厚0.9m，底板厚1.0m，中板厚0.45m，侧墙厚0.7m，中柱尺寸为0.8m×1.2m(柱间距8m)。车站围护结构采用地下连续墙，墙厚取0.8m，连续墙嵌固深度为11m，按复合墙考虑。车站顶板覆土取4m。
场区土层从上之下依次为：杂填土层、淤泥质粉质粘土层、粘土层、粘土夹粉土、粉砂层、粉质粘土层、粉细砂层。车站底板位于粉质粘土层。土层参数见表1：
表1车站区域土层参数表
2.2车站结构建模
本结构建模采用SAP2000结构软件，取沿车站纵向单位宽度结构来计算车站结构标准段的在不同地下水位下的受力情况。为尽量反映结构的实际受力情况，需考虑地连墙对结构的有利作用，将地连墙按复合墙进行考虑[1]，地下连续墙与车站侧墙结构之间通过仅能传递压力、不能传递剪力和弯矩且变形可忽略的gap单元[2]进行模拟，该gap单元刚度数量级应高于普通杆件刚度几个等级。各层板、墙、柱等结构构件均简化为杆件，取每米为一计算单元，柱的刚度按纵向柱距分配至每米单元计算。地下连续墙也可简化为杆件， 围护结构参与主体结构计算时，考虑围护结构是临时结构，对围护结构的刚度按折减一半进行考虑。
结构底板及地连墙直接与土接触，需考虑土对其的约束。对于地连墙，按两部分考虑土对其约束，地连墙与结构侧墙叠合的部分，可用仅承受压力不承受拉力的gap单元模拟土对该部分地连墙的约束，该gap单元的刚度取值Kg1= Kx·B·S(Kx为地连墙单元所在地层的水平基床系数，B取1m，S为受约束节点两边单元长度和的一半) [3]；对于另一部分，可用土弹簧模拟土的约束作用，土弹簧刚度取值方法同Kg1。对于结构底板，可用仅承受压力的gap单元模拟土的约束作用，Kg2= Kv·B·S(Kx为地连墙单元所在地层的水平基床系数，B取1m，S为受约束节点两边单元长度和的一半)。
车站结构为满足抗浮要求，在结构顶板处设置抗浮梁，利用地连墙的自重及侧摩阻力来进行抗浮。可在顶板抗浮梁处施加竖向的仅承受压力的gap单元模拟围护结构对结构的竖向约束。
结构设计所考虑的计算荷载及分项系数的取值按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）和地铁车站的使用要求确定。结构承受的主要荷载有：(1)结构自重：由计算程序自动计算；(2)地层压力；(3)水压力及浮力；(4)地面超载20kPa；(5)人群荷载4kPa (6)列车荷载：列车荷载及其动力荷载; (7)地震荷载：按6度地震作用计算。(8)人防荷载：抗力级别为6级等。
分别取地下水位为：地面、地下2m、地下4m (顶板处) 、地下6m、地下8m、地下10m (中板处)、地下12m、地下14m、地下16m、地下18m (底板处)对结构进行计算。
结构断面及计算模型见图1、图2：
图1 车站结构标准段断面图图2 车站结构标准段计算模型图
3、计算结果及分析
为方便分析，仅采用结构荷载的准永久组合计算结果来进行分析。
3.1结构控制截面弯矩随水位下降的变化情况及分析
地下水埋深/m
图3 车站结构弯矩随水位埋深变化
从计算结果看，随着地下水位的下降，结构控制截面弯矩的变化呈三种情况：
(1)弯矩减小
侧墙在中板处的截面负弯矩、侧墙跨中正弯矩、底板在侧墙处的负弯矩(侧墙在底板处负弯矩)均随着地下水位的下降而减小。其中侧墙在中板处的截面负弯矩、侧墙跨中正弯矩减小幅度均在30%左右，减小速度先快后慢。底板在侧墙处的负弯矩减小幅度为23%，减小速度较为均匀。以上各弯矩减小的原因在于，随着地下水位的降低，结构侧墙的水土侧压力及底板的水土反力均逐渐减小。
(2)弯矩基本维持不变
顶板在侧墙(侧墙在底板处负弯矩)及中间支座的负弯矩、顶板跨中正弯矩、底板跨中弯
矩均随着地下水位的下降而近似不变。頂板各控制截面弯矩基本维持不变的原因在于水位变化不影响车站顶板水土压力。
(3)弯矩增大
底板中间支座处的负弯矩随着地下水位的下降反而逐渐增大且近似成正比关系，弯矩增
幅约为8%。可见随着水位的降低，底板中间支座受地基弹簧的约束有所增大。
3.2结构控制截面轴力及剪力随水位下降的变化情况及分析
图4 车站结构轴力随水位埋深变化图5 车站结构剪力随水位埋深变化
由图4可见，随着地下水位的下降，结构控制截面轴力的变化呈三种情况：
(1)轴力基本维持不变
结构侧墙及中柱轴力随水位的下降而基本维持不变。
(2)轴力减小
结构顶、中、底板轴力随水位的下降而减小，其减幅分别为14.5%、32.5%、22.5%。
由图5可见，随着地下水位的下降，结构控制截面剪力的变化呈三种情况：
(1)剪力基本维持不变
结构顶、中板最大剪力随水位的下降而基本维持不变。
(2)剪力减小
结构侧墙及底板最大剪力随水位的下降而减小，其减幅分别为17.5%、31.5%。
4、总结
(1)随着车站区域地下水位的降低，除底板中间支座负弯矩会有有限的增加外，车站结构的内力或者减小或者维持不变。因而总的来说，对于地铁车站及类似市政地下结构而言，水位越低，结构受力状况越有利，结构尺寸及配筋越有优化的余地，也能适当地降低工程成本。现有的岩土工程勘察报告只提及最高水位及常年平均水位，因此，设计人员出于安全考虑，通常以最高水位作为设计水位，这显然会降低车站的经济性[4]。所以在进行车站设计时，选择合理的设计水位是很有必要的。
(2)在车站正常使用阶段，车站的地下水位是随着季节、年限反复变化的。由于底板中间支座负弯矩会随水位的降低而增加，所以在对车站结构进行计算时，不仅应计算车站结构在最高水位的内力，还应计算车站结构在最低水位的内力，最终取结构控制截面的最不利内力来确定结构尺寸及配筋。
参考文献：
[1] 徐向辉. 明挖地铁车站叠合墙与复合墙方案比选[J].铁道标准设计 2005；(12)：77-80.
[2] 李铭军.地铁车站端头井内部结构的整体计算[J].地下工程与隧道2006；(2)：53-54.
[3] 苏晓文，陈来发，周丹. 武汉地铁4号线罗家港站主体结构设计研究[J].人民长江2011, 42(20)：89-92.
[4] 李镜培，孙文杰. 地下结构的浮力计算与抗拔桩设计方法研究[J].结构工程师2007, 23(2)：80-84.