地铁车站中纵梁不连续对柱的影响分析

宋旭亮

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010）

1 工程概况

近年来，我国地铁建设发展迅速，城市轨道交通设计也在创新中不断规范和成熟。地下标准车站一般为2层单柱双跨箱型框架结构。根据公共区楼梯的建筑布置要求，传统单柱车站的中板结构纵梁会在垂直电梯及转折楼梯这一跨被切断，其余连续。站厅下站台楼梯则分列于中板纵梁两侧。经部分城市线路运营发现，楼梯扶手高度不足，存在儿童或其他人翻越扶手攀爬的风险，为安全管理带来不便，因此考虑将此处纵梁取消。以某市地铁标准站为例，该站全长181m，标准段宽19.7m，站台中心覆土深约3m，将车站中板纵梁在楼梯、垂直电梯处断开3跨（见图1）。通过数值模拟计算，对纵梁断开结构在承载能力极限状态（基本组合、设防地震组合）和正常使用极限状态（准永久组合）下的安全性进行分析，在满足功能及结构安全的前提下，保证运营安全。

图1 中板纵梁断3跨的车站结构方案

2 计算分析

在地震中的地铁车站结构，其受力处于非线性阶段，因此在抗震设计中按照荷载效应组合的方式并不合理。结合反应位移法的研究现状，依据GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》，采用先对车站进行荷载组合计算，再进行地震反应计算的方法。通过采用有限元软件Midas Civil对纵向框架结构进行二维建模，如图2所示。承载能力极限状态基本组合及正常使用极限状态准永久组合采用静力分析法，设防地震作用采用反应位移法。永久荷载包括结构自重、覆土压力、地层抗力、水土压力，可变荷载包括地面超载、人群荷载及设备荷载。坑底以上土体加权后按水土分算计算，土体黏聚力c、内摩擦角渍以及侧向基床系数均按照地质报告推荐值取用。采用反应位移法进行地下车站结构横向地震反应计算时，可将周围土体作为支撑结构的地基弹簧，对结构进行约束，结构构件可采用梁单元进行建模（见图 3）。

图2 梁断3跨与梁断1跨二维纵向框架模型

图3 构件编号

3 梁断3跨构件计算结果

3.1 基本组合验算结果

按照图3方式对构件进行编号，读取软件内力基本组合结果，并进行比对，选取断梁处弯矩最大的柱Z1及柱Z6进行验算，断梁处柱基本组合下强度验算结果如表1所示。由表1中可知，柱满足承载能力极限状态设计要求。

表1 断梁处柱验算

3.2 地震组合验算结果

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》第11.4节相关规定，除框架顶层柱、轴压比小于0.15的柱以及框支梁与框支柱的节点外，框架柱节点上、下端和框支柱的中间层节点上、下端的截面弯矩设计值应根据抗震等级要求进行调整。

选取柱Z1,Z6为例进行计算，考虑二级抗震等级措施调整，断梁处柱地震工况下强度验算结果如表2所示。由表2中可知，柱在地震工况下强度满足要求。

表2 Z1，Z6柱顶、柱底强度验算

4 梁断3跨与梁断1跨工况柱计算结果对比

根据有限元分析结果，分别比较纵梁3次断开方案与1次断开方案中框架柱在基本组合与设防地震组合（梁剪力、柱弯矩及剪力均为抗震措施调整前）下的内力计算结果（见表 3）。

表3 柱弯矩对比 kN·m

由表3可知，相比于传统断开1跨的车站模型，在地震组合工况下断梁3跨模型中Z1柱顶弯矩增加超100%，Z2柱顶弯矩减小62.7%，Z3柱顶弯矩减小46%，Z4柱顶弯矩减小68%，Z5柱顶弯矩增加58.7%，Z6柱顶弯矩增加近310%。由此可见，地震工况下Z1，Z5和Z6的柱顶弯矩增加最多。同样，比较柱底弯矩可得，2种工况组合下，Z1增加近69%，Z2减小近89%，Z3减小近49.9%，Z4减小近93.7%，Z5增加近48.9%，Z6增加近484%。由此可见，Z1，Z5，Z6柱顶和柱底弯矩均是增加的，Z2，Z3，Z4柱顶和柱底弯矩均是减小的。断梁最边跨的柱弯矩增加最大，应作为抗震设计的重点。经过验算，断梁方案结构柱沿纵向的受力主筋加强后（实配钢筋1028）满足构件强度受力要求。

5 断梁3跨处结构柱的设计建议

根据计算结果以柱Z1为例进行分析计算（见表4），设计框架柱Z1尺寸为0.7m×1.3m。

表4 柱Z1地震组合断梁方案与传统方案内力对比

由表4可知，梁断后在抗震工况下柱弯矩、剪力明显增加，轴力略微减小。

表5 断梁方案地震工况下柱Z1配筋计算

6 结论与建议

利用通用有限元软件进行数值模拟分析，得出如下结论与建议。

1）相较传统车站模型，断梁3跨后在地震组合工况下断梁旁柱顶、柱底弯矩增加明显，剪力明显增加，轴力略微减小。断梁最边跨的柱弯矩增加最大，应作为抗震设计的重点。

2）设计时，根据各工况内力结果，断梁处结构柱建议考虑加强短边竖向主筋，同时加密箍筋，以满足受力要求及抗震构造要求。

3）经承载能力极限状态及正常使用极限状态下的设计及分析，中纵梁断开3跨后，主框架柱满足功能及结构安全，保证运营安全管理。