第二节 地铁车站的结构设计ppt课件

第二节地铁车站的结构设计一、地铁车站结构选型的原则和特点二、地铁车站的结构形式三、地铁车站结构的荷载内力计算与设计四、地铁车站结构的构造设计一、地铁车站结构选型的原则和特点⑴地铁车站应根据车站规模﹑运行要求﹑地面环境﹑地质﹑技术经济指标等条件选用合理的结构形式和方法；⑵结构净空尺寸应满足建筑﹑设备﹑使用以及施工工艺等要求，还要考虑施工误差﹑结构变形和后期沉降的影响。⒈明挖法施工的车站结构⑴适应性强，可以灵活布置车站的平面及纵断面；⑵可较好的利用地下空间；⑶尤其适用于客流量大的车站﹑换乘站以及需要考虑城市地下、地上空间综合开发利用的车站；⑷一般情况下浅埋地铁以明挖车站为主。⒉盖挖法施工的车站结构⑴分为盖挖顺作法半逆作法和逆作法；⑵在交通繁忙得地段修建地铁，尤其是修建有综合功能要求的车站，或需要严格控制基坑开挖引起的地面沉降时，则可采用盖挖法施工。⒊暗挖法施工的车站隧道和折返线等大断面隧道　⑴广为采用的暗挖法有矿山法﹑盾构法﹑顶管法；　⑵矿山法不适用于饱和软粘土，采用矿山法需注意：　①在第四系中用新奥法时需与明盖挖进行论证　②矿山法车站施工难度大安全性差造价高工期长，适用效果和营运质量不如其他方法。　③矿山法可用于采用明﹑盖挖施工非常不经济的地铁中间站。⒋盾构法施工的车站结构⑴其特点是地层掘进出土运输衬砌拼装等作业都在盾尾保护下进行，需随时排除地下水和控制地面沉降，技术要求高，综合性强；⑵可用于各类软土地层和软岩地层中掘进隧道，尤其适用于市内地铁和水底隧道的掘进；⑶优点是环境影响小，施工速度快，自动化程度高等；⑷缺点是造价高，地沉降控制较难施作小半径隧道时较困难。二﹑地铁车站的结构形式⒈明挖法施工的车站结构形式⑴矩形框架结构①有单层﹑双层﹑单跨﹑双跨﹑双层多跨（图4-1）等形式。②侧式车站采用双跨结构；③岛式车站采用三跨结构，有时也用单跨结构；④有时可用上﹑下线重叠结构。图4-1上海地铁徐家汇(与下立交隧道合建，尺寸单位mm)⑵拱形结构　常用于站台宽度较窄的单跨单层或单跨双层车站⑶整体式结构与装配式结构①现浇混凝土结构具有防水性和抗震性能好，能适应结构体系的变化等优点；②装配式结构施工速度快，但接头防水较薄弱，新发展的部分装配式结构。⒉盖挖法施工的车站结构形式⑴盖挖法多采用矩形框架结构（图4-2）；⑵盖挖车站一般均采用与围护墙结合的现浇的成型方法；⑶软土地区车站采用地下墙或钻孔桩作围护结构。分单双层墙两种结构。图4-2北京地铁永安里站(尺寸单位：mm)⒊矿山法施工的车站结构形式⑴断面形式应根据围岩条件使用要求施工工艺及开挖断面的尺寸等从结构受力围岩稳定及环境保护等方面综合考虑确定；⑵宜采用连接圆顺的马蹄形断面；⑶围岩条件较好时采用拱形与直墙或曲墙组合的形状，软岩及砂土地层应设仰拱或受力平板底；⑷硬岩中设200mm的铺底作整体道床的基础；⑸特殊困难条件下可采用平顶式结构。1)单拱车站隧道⑴该结构形式在岩石地层中采用较多；⑵施工难度大﹑技术措施复杂﹑造价高（图4-3）。图4-3日本横滨地铁三泽下街车站⑵设有横向联络通道，两主隧道的净距不小于一倍主隧道宽度；⑶双拱立柱式早期用于石质较好的地层中，近年来被单拱车站取代。2)双拱车站隧道⑴基本形式：双拱塔柱式和双拱立柱式(图4-4)；图4-4双拱立柱式车站实例3)三拱车站隧道⑴亦有塔柱式和立柱式两种基本形式；⑵土层中大多采用三拱立柱式车站（图4-5）。图4-5三拱立柱式车站实例⒋盾构法施工的车站结构形式1)由两个并列的圆形隧道组成的侧式站台车站⑴图4-6，每个隧道内设一组轨道和一个站台；⑵车站隧道的内径主要取决于侧站台宽度﹑车辆限界及列车牵引受电方式；⑶总宽度较窄可设在道路之下，用于客流量较小的车站；⑷技术难点在于横通道的设计与施工。图4-6东京永田町车站2)由三个并列的圆形隧道组成的三拱塔柱式车站⑴图4-7，两侧为行车隧道，在其内设站台，中间隧道为集散厅，用横通道连成一个整体；⑵总宽度较大，28～30m，用于中等客流量车站。图4－7基辅地铁三拱塔柱式车站3)立柱式车站⑴传统立柱型车站为三跨结构，眼镜型车站，典型的岛式车站（图4-8），站台宽度≥10m,站台边至立柱外侧≥2m；⑵传统型立柱车站施工工序多，难度大，造价高，总宽度窄，20m左右；⑶“多圆型盾构”，盾构车站，球墨铸铁管片组成的装配式衬砌。图4-8莫斯科地铁三拱立柱式车站(尺寸单位：mm)图4-8圣彼得堡地铁三拱立柱式车站(尺寸单位：mm)⒌换乘站的隧道衬砌结构形式　⑴换乘方式按结构分类：　①在两个或几个单独设置车站之间设置联络通道等换乘设施；　②修建两条或多条线路使用的联合换乘站；　③在两个相交车站的局部，修建公共换乘结点。　⑵按线路在车站内的位置，后两种又分为：　①两条线路设于同一水平上的车站；　②两条线路设于不同水平上的重叠式车站：　③两条线路设于同一水平上的交叉式车站；　⑶重叠式车站的站台形式：　①上层侧式，下层两侧式间作共享通道；　②上下层均为侧式站台；　③上下层均为岛式站台。⒍地铁车站围护结构⑴一般采用地下墙﹑钻孔灌注桩﹑人工挖孔桩及SMW工法作围护结构；⑵地下墙可作主体侧墙的一部分，或只作围护结构；⑶单层侧墙，锥螺纹钢筋连接器，双层侧墙。三﹑地铁车站结构的荷载内力计算与设计主要内容：　结构选型，荷载计算，基坑围护结构设计，内衬设计，结构楼板和梁设计，抗浮设计，出入口通道设计、风道设计等，另外还包括端头井设计，车站纵向结构设计，防杂散电流设计，防水设计和人防设计等。⒈地铁车站结构静﹑动力工作特性⑴进行地铁车站结构的静﹑动力计算时，必须考虑结构与地层的共同作用；⑵一般采用结构计算﹑经验判断和实测相结合的信息化设计方法；⑶设计模型随结构形式和施工方法而异；⑷软土中的浅埋车站常用荷载－结构模型；⑸深埋或浅埋的岩层中的车站采用连续介质模型（地层－荷载模型），包括解析法和数值法。⒉作用在地铁车站结构上的荷载⑴分为永久荷载﹑可变荷载和偶然荷载，计算时取最不利组合；⑵永久荷载包括地层压力、结构自重、车站结构上部或破坏棱柱体内的设施及建筑物基底附加应力、静水压力（含浮力）、混凝土收缩和徐变影响力，预加应力、设备自重和地基下沉影响；⑶可变荷载包括地面车辆荷载（包括冲击力）和它所引起的侧向土压力、地铁车辆荷载（包括冲击力、摇摆力、离心力）以及人群荷载等，还包括其他可变荷载，如：温度变化、施工荷载等；⑷偶然荷载包括地震力，爆炸力沉船等。1)地层压力⑴深埋岩石车站结构　在荷载结构模型中，主要承担由于岩石松动、坍塌而产生的竖向和侧向主动土压力，仅仅是车站隧道周围某一范围（天然拱或称承载拱）内岩体的重量，与车站隧道埋深无直接关系。⑵土质车站结构　一般按照计算截面以上全部土柱重量计算；深埋暗挖隧道或覆盖厚度大于（2.0D～2.5D）的砂性土层中的暗挖隧道，其竖向均布土压力可按照太沙基公式或普氏公式计算。侧压力按照主动、被动或静止土压力公式计算。2)静水压力⑴静水压力对不同的地下结构产生不同的荷载效应，如圆形结构，矩形结构；⑵一般说来，粘土地层（含粉质粘土）施工阶段水土合算，使用阶段水土分算；砂土地层（含粘质粉土）在施工和使用阶段均采用水土分算；⑶水土合算时，地下水位以上的土采用天然容重γ，地下水位以下的土采用饱和容重γs计算土压力，不计算静水压力；⑷水土分算时，地下水位以上的土采用天然容重γ，地下水位以下的土采用有效容重γ’计算土压力，另外再计算水压力。3)地面车辆荷载⑴一般将地面车辆荷载简化为均布荷载；⑵当覆盖层厚度较小时，两轮压扩散线不相交时可按局部均布压力计算；⑶在道路下方的浅埋暗挖隧道，地面车辆荷载可按10kPa均布荷载取值，并不计冲击力的影响。⑷当无覆盖层时，应按集中力考虑；⑸对车站顶板通过覆土层扩散由空间结构计算内力，或将地面轮压转换为与此效应相同的等效荷载；⑹对底版地面轮压引起的反向荷载比顶板上的地面荷载小。　单个轮压传递的竖向压力：　两个以上轮压传递的竖向压力：(4-1)(4-2)式中：p0z——地面车辆轮压传递到计算深度Z处的竖向压力；　P0——车辆单个轮压；a﹑b——地面单个轮压的分布长度和宽度；di——地面相邻两个轮压的净距；n——轮压的数量；μ0——车辆荷载的动力系数。式中：p0x——地面车辆轮压传递到计算深度Z处的侧压力；　　　p0z——地面车辆轮压传递到计算深度Z处的竖向压力；　　λa——水平向侧压力系数。　地面车辆荷载传递到地下结构上的侧压力，可按下式计算：(4-3)4)地震荷载⑴地震对地铁车站的影响可分为剪切错位和振动。车站结构无法抵抗剪切错位；⑵松软地层中进行地震响应分析和动力模型试验，一般结构采用实用方法，即静力法或拟静力法；⑶衬砌结构横截面的抗震设计和抗震稳定性验算中采用地震系数法（惯性力法），即静力法；　⑷验算衬砌结构沿纵向方向的应力和变形采用地层位移法，即拟静力法；　⑸垂直地震荷载通常只在验算结构的抗浮能力时才考虑；　⑹水平地震荷载可分为垂直和平行隧道纵轴两个方向计算。5)其他荷载⑴车站上面的覆土荷载⑵施工阶段地表施工机具荷载⑶车站上方和破坏棱柱体内的设备和建筑物压力⑷内部人群荷载⑸内部设备荷载⑹地铁车辆荷载⒊地铁车站围护结构设计1)入土深度计算（基坑稳定性验算）⑴入土深度可按基坑抗隆起的稳定条件和防止管涌的稳定条件来确定；⑵基坑抗隆起验算时一般采用以最下一道支撑与围护墙的交点为滑弧中心﹑维护墙底面为滑裂圆弧的分层计算方法；⑶安全系数一般为1.5～2.0，亦可参考实践经验综合考虑确定。式中：hw——维护墙体内外面的水头差；L——产生水头损失的最短流线长度；ic——极限动水坡度；I——动水坡度；Gs——土颗粒密度；e——土的空隙比。⑷防止管涌的验算一般采用动水坡度小于极限动水坡度的方法，即(4-4)2)围护结构计算　对于明挖顺作法施工的围护结构，应根据基坑分层开挖﹑回筑内部结构的施工阶段和完成后的使用阶段等不同工况进行计算，最终配筋按各阶段的内力包络图提取。⒋内衬侧墙计算⑴当采用单层墙结构时，各阶段的最不利荷载全部由地下墙承受；⑵当采用双层墙结构时，基坑开挖阶段荷载全部由地下墙承受，内部结构回筑后与地下墙按叠合墙计算；⑶内衬墙配筋：一般外侧面仅在地下墙幅间接缝两侧各1米范围内设置构造钢筋网；内侧面按照设计要求配筋，截面计算时应将地下墙与内衬墙视为整体；⑷上海地铁建议允许的抗剪强度取0.7MPa。⒌地铁车站结构计算1)明挖顺作法修建的多层多跨矩形框架结构要按两种方法进行验算：⑴按车站的结构形式、刚度、支承条件、荷载情况和施工方法，模拟分步开挖、回筑和使用阶段不同的受力状况，考虑结构体系受力的连续性，用叠加法或总和法计算；⑵将其视为一次整体受力的弹性地基上的框架进行内力分析。2)车站按底板支承在弹性地基上的平面框架进行分析时，一般以水平弹簧模拟地层对侧墙的水平位移的约束作用，以竖向弹簧模拟地层对底板、侧墙底部的竖向位移的约束作用。3)框架结构基底反力可以采用两种计算方法：⑴假设结构是刚性体，则基底反力的大小和分布可根据静力平衡条件求得；⑵假设结构为温克尔地基上的矩形框架，则根据地基变形计算基底每一点的反力。4)在顶、楼板的横向框架内力计算中，要考虑因纵梁刚度不足（当跨度较大、截面高度较小时）、跨中挠度较大所产生的横向板带正负弯矩在纵向分布的不均匀性。5)各层板与地下墙的连接处，如不采用钢筋接驳器而采用预埋剪力筋，应将预埋在地下墙中的插筋调直，使它能承受负弯矩。在板的横向内力计算中把这部分插筋计人，以减小跨中正弯矩。6)顶板一般按纯弯计算；中楼板、底板截面配筋计算时，可考虑对称的侧向土压力对板产生的轴向压力按偏心受压构件进行计算。7)对框架结构的隅角部分和梁柱交叉节点处，配筋时要考虑侧墙宽度的影响。8)当沿车站纵向的覆土厚度、上部建筑物荷载、内部结构形式变化较大时，或基底地层有显著差异时，还应进行结构纵向受力分析。四﹑地铁车站结构的构造设计⒈明挖法施工的车站1)顶板和楼板　可采用单向板、井字梁式板、无梁板或密肋板等形式。2)底板　基本上都采用以纵梁和侧墙为支撑的梁式板结构。3)立柱⑴明挖法车站的立柱一般采用钢筋混凝土结构。⑵按照常规荷载设计的地铁车站站台区的柱距一般取6～8m。⑶当柱的设计荷载很大时，可采用钢管混凝土柱或劲性钢筋高强度混凝土柱。4)侧墙：⑴采用放坡开挖或工字钢桩、钢板桩作基坑临时护壁时，侧墙多采用以顶底板及楼板为支撑的单向板；⑵采用地下墙或钻孔灌注桩护壁时，利用他们作主体侧墙的一部分或全部。⑶侧壁支护与内衬墙之间构造视传力方式不同，有三种处理方式：单一墙式结构﹑复合墙式结构﹑叠合墙式结构。⑷连续墙作为侧墙一部分时，水平构件连接方案：①在连续墙内预埋弯起钢筋，与水平构件的主筋焊接；②预埋接驳器与水平构件的主筋连接。⒉盖挖法施工的车站1)基本要求　传力可靠、构造简单在盖挖逆作特定的施工工艺条件下可以操作，不影响后续工序的操作。2)关键结点　⑴侧墙与顶板、底板和楼板等水平构件的连接　⑵后浇梁与中间柱连接　⑶中间柱与基础连接3)侧墙与顶板等水平构件的连接　⑴地下墙时，采用钢筋接驳器；　⑵钻孔灌注桩采用混凝土圈梁；　⑶防水层时作特殊处理。4)后浇梁与中间柱连接　一般可在中间柱两侧布置连续双梁，由连续双梁受结点弯矩，剪力则由焊接或铆接在中间柱上的牛腿传给立柱⑴后浇梁与钢管柱的连接⑵梁与H钢柱的连接5)中间柱与基础的连接　中间柱应铆固在柱基混凝土内，连接方式有：⑴H型钢与钢管桩的连接　C40级混凝土内，定位偏差＜20mm，垂直度偏差≤1/500⑵钢管柱与灌注桩的连接①桩﹑柱混凝土的浇注钢；②管柱的锚固。