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1、第四章 地铁与轻轨交通的结构设计 第三节 地铁车站结构计算,力建学院道桥系,本节主要内容,4.1地铁车站的荷载类型,4.2荷载计算方法（重点）,4.3结构计算模型（重点）,4.4结构计算,4.1荷载类型,人群,人群,车辆,4.1荷载类型,永久荷载：是地下车站结构承受的主要静力荷载，在设计基准期内其量值不随时间变化。一般主要包括结构自重、地层压力、地下水压力、地层反力和弹性抗力等。可变荷载：地面车辆荷载及动力作用和侧向土压力、地铁车辆荷载(包括冲击力、摇摆力、离心力)及人群荷载。其它可变荷载还有温度变化、施工荷载(施工机具、盾构千斤顶推力、注浆压力)等。偶然荷载：地震力、爆炸力、沉船、抛锚或河道
2、疏浚产生的撞击力等灾害性荷载。,4.2荷载计算方法,（1）地层压力计算 深埋岩石隧道：隧道周围破碎圈内的岩体重量，围岩松动压力按铁路隧道设计规范进行计算。概率极限状态法设计破损阶段设计法容许应力设计法 其中，为围岩的重度（KN/m3）；S为围岩的级别；B为洞室的跨度，当 B5m，取i=0.2，当B5m，取i=0.1。水平匀布压力,等于上覆地层的重量？,围岩松动压力高度h的确定,变形阶段,松动阶段,塌落阶段,成拱阶段,h,土质隧道 竖向压力 填土隧道和浅埋暗挖隧道，按全部土柱重量计算。深埋暗挖隧道或覆盖层厚度大于（1D2D）砂性土层中的暗挖隧道，竖向均布土压力可按太沙基公式或普氏公式计算。明挖隧
3、道按1.11.12乘以全部土柱重量计算。侧向压力,4.2荷载计算方法,（2）静水压力计算计算方法：砂土地层施工阶段和使用阶段均采用水土分算；粘土地层施工阶段采用水土合算，使用阶段水土分算。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，静水压力另外计算。水土合算：地下水位以上采用天然土容重水位以下采用饱和容重，不计静水压力地下水位的确定圆形结构按最低水位计算。矩形结构按最高水位计算。,天然土容重,水土分算,有效容重,静水压力,天然土容重,饱和容重,水土合算,4.2荷载计算方法,（3）地面车辆荷载计算方法竖向压力 地面车辆荷载可按下述方法简化为匀布荷载：单个轮压力传递的竖向压力：两个
4、以上轮压传递的竖向压力：,（3）地面车辆荷载计算方法,在道路下方的浅埋暗挖地铁车站，地面车辆荷载可按10kPa的均布荷载取值，不计冲击力的影响。当无覆盖层时，地面车辆荷载则应按集中力考虑，并用影响线加载法求出最不利荷载位置。侧向压力 按下式计算：式中，-水平侧压力系数；-地面车辆轮压传递到计算深度Z处的竖向压力；-地面车辆轮压传递到计算深度Z处的侧向压力。,4.2荷载计算方法,（4）地震荷载计算方法地震对地下车站的影响有两方面：剪切错位和振动。地震对深埋隧道影响较小，而对浅埋隧道，尤其是松软地层中的浅埋隧道影响较为严重。地铁车站抗震烈度为7度，设防分类为乙级，按8度采取相应抗震构造措施，抗震等
5、级定为二级，以提高结构和接头处的整体抗震能力。,日本大开车站,（4）地震荷载计算方法,地铁结构采用实用计算方法，即静力法(地震系数法)或拟静力法(地层位移法)。松软地层中的重要地铁车站进行地震响应分析和动力模型试验。静力法或拟静力法：将随时间变形的地震力或地层位移用等代的静地震荷载或静地层位移代替，然后再用静力计算模型分析地震荷载或强迫地层位移作用下的结构内力，其量值略大于动力响应分析值。适用性：适用于设计加速度较小、动力相互作用不突出的结构，不能用于地震时土体刚度有明显降低或产生液化的场合。优点：计算方法较简单，工作量小、参数易确定。缺点：不能反映材料动力特性及结构间动力响应、动力耦合。,4
6、.2荷载计算方法,（5）结构内部车辆荷载 轨道在隧道底板上：拉应力一般小于0.5MPa，可忽略。轨道在中层楼板上：考虑车辆荷载和冲击力。列车产生的离心力，其大小等于列车静活载乘以离心力率C，C值按下式计算：离心力作用于轨顶以上车辆重心处。列车制动力或牵引力应按列车竖向静活载的15计算，当与离心力同时计算时，可按竖向静活载10计算。（6）其它荷载 地表施工机具荷载，一般取20kPa；车站上部有建筑物时，应计入其荷载；人群荷载：站台、楼板和楼梯标准值值为4kN/m2。,4.3荷载组合,结构计算荷载应根据上述三类荷载同时存在的可能性进行最不利组合。对于浅埋地铁结构，以基本组合永久荷载+可变荷载设计。
7、在特殊情况下，如七度以上地震区，或有战备要求等才有必要按偶然组合，即三类荷载都考虑进行验算。,4.4结构计算模型,（1）计算模型主动荷载模型：不考虑结构与地层共同作用，除结构底部受地层约束外，其它部分在主动荷载作用下可以自由变形。适用于结构与地层“刚度比”较大的情况，较弱的地层没有“能力”去限制衬砌结构的变形。,主动荷载+地层弹性约束模型：地层不仅对衬砌结构施加主动荷载(地层压力)，还对衬砌结构施加被动弹性抗力。衬砌结构在主动荷载和地层的被动弹性抗力共同作用下进行工作。,该模型适用于各类地层，只是各类地层所能产生的弹性抗力大小和范围不同。,地层-结构模型：围岩与结构共同构成承载体系，荷载来自地
8、层的初始应力和施工所引起的应力释放，结构内力与地层重分布应力一起按连续介质力学方法计算。,（2）基底反力,Winkler弹性基础理论计算公式 式中，i为地层表面某点所产生的压缩变形；i为地层在同一点所产生的弹性抗力；K为地层的弹性抵抗系数。基底反力和弹性抗力的大小和分布形态取决于衬砌结构的变形，而结构变形又和反力或弹性抗力有关。采用迭代法求解超静定结构问题，可采用结构力学方法和有限元法，有限元方法建立模型较为容易，适用更为广泛，求解更为灵活。,4.5结构静力计算方法,（1）明挖箱形衬砌主动压力基底反力：方法1：静力平衡法；方法2：Winkler弹性基础理论。,基底反力,（2）暗挖马蹄形衬砌结构
9、（采用主动荷载模型）弹性地基梁图示（等直杆单元+弹性地基等直梁单元）弹性支撑连杆图示（全部为等直梁单元、链杆代替弹性抗力）,4.6结构静力验算,（1）基本组合构件强度计算；（2）短期效应组合构件裂缝宽度验算；（3）短期效应组合构件变形计算；（4）地震荷载作用下构件强度验算；（5）人防荷载作用下构件强度验算；（6）构件抗浮稳定验算。,抗浮阻力=结构自重+覆土重量+地下墙可用的抗浮摩阻力浮力=作用于底板上的全部浮力不计活荷载、后期施工的楼、地面面层和装饰重量。地下墙摩阻力为5kPa；抗浮安全系数大于1.1；地下水位取地面以下0.5m。底板施工完成后，其它结构和覆土重量尚未加上，若底板不设倒滤层，必须在底板上设置泄水孔，以减少底板浮力，避免结构上浮，待顶板覆土和上部结构完成后，再将泄水孔封闭。,4.7小结,荷载计算,荷载组合,建立模型,结构计算,结构验算,是,结束,否,结构设计,课后习题,衬砌壁厚=50cm,隧道外径D=6m,隧道顶部填土高度H=15m,地下水位位于隧道顶部h=12m,隧道顶部填土为砂土,衬砌采用C40混凝土,地基反力按荷载平衡计算,顶部土、水压力按均布荷载取值侧面土、水压力按线性变化荷载取值,车辆及人群荷载按规范取值,思考：考虑地层-结构模型时如何计算内力？,下节预习,（1）高架区间桥梁结构断面设计（2）高架车站结构断面设计（3）高架结构计算,
