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    地铁车站的建筑和结构毕业设计指导书

    资料分类:土木工程毕业设计 - 毕业论文格式 | 发布形式:资料共享 | 更新时间:2017-08-06 显示全部楼层

      地下铁道是一种规模浩大的交通性公共建筑。地铁根据其功能、适用要求、设置位置的不同划分成车站、区间和车辆段三个部分,以下介绍车站的建筑和结构设计。

      一、地铁车站建筑设计
      地铁车站由车站主体(站台,站厅,生产、生活用房)、出入口及通道、通风道及地面通风亭等三大部分组成。
      地铁车站按车站与地面相对位置可分为地下车站、地面车站和高架车站;按车站埋深可分为浅埋车站和深埋车站;按车站运营性质可分中间站(一般站)、区域站(折返站)、换乘站、枢纽站、联运站和终点站(始发站);按车站结构横断面形式可分为矩形断面、拱形断面、圆形断面、马蹄形断面和椭圆形断面等(图1);按车站站台型式可分为岛式站台、侧式站台和岛侧混合式站台;按乘客换乘方式分为站台直接换乘、站厅换乘和通道换乘;也可按车站换乘形式分为“一”字形换乘、“L”形换乘、“T”形换乘、“十”字形换乘和“工”字形换乘等等。
    地铁车站的建筑和结构毕业设计指导书 -图1
    图1 车站结构横断面形式和站台形式
      1~6矩形断面;7、8拱形断面;9~11圆形断面;12~15其他类型断面;
      1、双跨框架侧式;2、三跨框架岛式;3、五跨框架一岛一侧式;4、双层单跨框架重叠侧式;5、双层双跨框架相错侧式;6、双层三跨框架重叠岛式;7、单拱一岛二侧式;8、双拱双岛式;9、三拱立柱岛式;10、三拱塔柱岛式;11、单圆侧式;12椭圆岛式;13、钟形区间;14~15、马蹄区间;
      在进行车站建筑设计时,应做到功能合理、技术先进、使用方便,力争为乘客创造一个舒适、优美的环境和空间。应根据车站功能使用要求,合理组织站内人流路线,安排房间位置,布置站内设施,确定车站规模、类型,选定结构形式。应充分利用地上、地下空间,有条件时可与周围建筑物结合进行物业开发。设计应贯彻实用、经济、美观的原则。地下铁道车站建筑设计主要从满足站位、客流组织、总平面、装修、防灾和物业开发与综合利用等方面来考虑。
      1、车站站位
      地铁车站应满足城市地面交通、城市规划要求,最大限度地结合旧城改造、城市道路规划布置。应结合城市人口密度特征最大限度的吸引客流,应尽量保证经济、合理的站内客流。应尽量减少拆迁工程量,施工时应尽可能维持地面交通。应方便乘客换乘其他交通方式,以换乘线路短及换乘简捷、方便、安全为原则。地铁车站一般宜设在直线段上,车站间距离一般在1.0~1.5km左右为宜。
      2、客流组织
      地铁出入口位置、数量及其净宽,应按照方便乘客进出站和具有紧急疏散能力的要求而定,还应满足人行过街的要求。车站内所设楼梯、自动扶梯和通道的通过能力,应能保证在发生紧急情况时,一列途经该站的列车的乘客、站内候车乘客和工作人员能够及时疏散到安全地区。乘客与站内工作人员路线应分开,进、出站客流路线应避免交叉干扰,换乘客流与进出站客流路线应分开。
      3、车站总平面布局
      在车站中心位置及方向确定以后,需要对车站进行总平面布局。建筑师要根据车站所在地周围的环境条件、城市有关部门对车站的要求,依据选定的车站类型,合理地布设车站出入口、通道、通风道等设施,以便乘客能够安全、迅速、方便地进出车站。车站总平面布局还应考虑出入口与城市过街地道、天桥及下沉广场的关系,对远近期工程进行统一规划设计。
      车站结构形式、总体布置要根据沿线不同的环境条件、工程水文地质、综合开发以及使用要求进行取舍。
      车站出入口通道和风亭、冷却塔应尽量与地面建筑合建,出入口通道还应根据地面客流分布和方便乘降与换乘等因素综合考虑进行布置,三者均应尽量设在道路规划红线之外,其建筑造型与装修应与周围景观相协调。
      站厅层应设足够的楼梯和自动扶梯与站台层连接。应设几个足够宽度的通道,采用楼梯及自动扶梯与地面连接。在可能的条件下应另设直升梯为残疾人服务,还应另设工作人员内部联系用直升梯及楼梯,在救灾时可兼作消防用升降机梯。
      4、车站装修设计
      车站内外装修以实用、经济、美观、简捷,创造安全、舒适的地下空间环境和具有表现力的车站地面建筑为设计原则。在装修风格上与整体风格相协调又具有识别性,力求简洁、明快,具有时代感且能体现城市建设面貌。车站室内宜采用不同的艺术手法,结合不同的装饰材料、色泽、纹理等以达到扩大空间,减轻人们在地下空间的压抑感、沉闷感。车站装修所选用的材料应具有防潮、防腐、防滑、耐久、无毒、无异味、不燃、防静电吸尘、易于施工、维修、清洁等性能。
      5、车站防灾
      车站防灾设计主要有火灾、水灾、地震和人为破坏等,车站建筑应设有完整可靠的水消防系统和安全可靠的化学灭火装置,同时还必须考虑防水淹的需要。
      地下车站及区间、高架车站及区间、地面车站、地面出入口及通道、通风道及地面通风亭的耐火等级为一级,地铁地面其他建筑物的耐火等级不低于二级。出入口各口均应当装置防火卷帘门。车站两端的办公、设备用房与大厅处应设置防火墙及防火门,门的开启方向应向疏散方向;车站控制室应设防火玻璃窗洞口,上部管道内设置防火阀,不能砌墙处的楼梯井四周应设置水幕。公共区内的楼梯口和站厅内的人行道口应设置挡烟垂幕。站台有效长度以外,应设通往轨道面的人行楼梯。各机电设备用房门洞均应采用外开防火门。为保证洪水季节地铁车站安全,地面出入口、残疾人电梯、风亭开口等均应高于洪水设防高程,或至少高于室外地坪150mm以上。
      车站的综合开发与空间利用不仅是地铁工程本身的问题,还更多地涉及城市规划布局、市政和交通设施,其目的在于构成城市立方体化的交通体系,使地铁建设与城市建设的关系更为密切,形成一个巨大的地下空间综合体。

      二、地下铁道车站结构设计
      车站结构设计受施工方法的影响主要内容包括:结构选型、荷载计算、围护结构设计、内衬侧墙设计、结构楼板、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内容。
      1、地下铁道车站结构静、动力工作特性
      地下铁道车站埋设于地层中,四周都受到底层的约束,所以地层不仅对结构施加荷载同时又帮助结构承受荷载,减少结构的内力。这种结构与地层共同作用的效果主要取决于地层条件以及结构与地层的相对刚度。在稳定的地层中,结构的刚度比地层的刚度小,则地层对结构变形的约束作用大,而产生的地层压力小。反之,在松软不稳定地层中,结构的刚度比地层的刚度大,地层的约束作用小,地层压力则很大。
      进行地下铁道车站结构的静、动力计算时,必须考虑结构与地层共同作用。影响结构与地层共同作用的因素很多,而且地下结构的受力特性在很大程度上还与地下工程的施工方法及施工步骤直接相关。因此,在进行地下车站结构设计时,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。
      用于地下铁道车站结构静、动力计算的设计模型随结构型式和施工方法而异。软土地层中的浅埋车站结构一般采用荷载——结构模型(作用——反作用模型)计算,例如弹性地基框架、弹性地基圆环等;对于深埋或浅埋于岩层中的地铁车站结构(矿山法除外)一般可采用连续介质模型计算或以工程类比法设计。
      2、作用在地下铁道车站结构上的荷载
      作用在地下铁道车站结构上的荷载可分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载,结构计算时应根据上述三类荷载进行最不利组合。
      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、混凝土收缩和徐变影响力、预加应力以及设备自重等;可变荷载包括地面车辆荷载和它所引起的侧向土压力、地下铁道车辆荷载以及人群荷载、温度变化、施工荷载等;偶然荷载包括地震力、爆炸力等。
      荷载计算时应按照施工阶段和使用阶段分开考虑。
      (1)地层压力。地层压力是地铁车站结构承受的主要荷载。由于影响地层压力分布、大小和性质的因素很多,具体设计时应根据结构所处的环境,结合已有的试验、测试和研究资料来确定。
      1)深埋石质车站结构。深埋石质车站结构采用荷载——结构模型计算时,主要承担由于岩体松动、坍塌而产生的竖向和侧向主动压力,计算时一般只考虑竖向和侧向匀布荷载的作用,特殊区段才考虑非匀布荷载的作用。
      2)土质车站结构。填土车站和浅埋暗挖车站,一般计算截面以上全部土柱重量计算竖向压力,有时候尚应考虑埋 管现象。深埋暗挖车站或覆盖层次较厚的砂性土层中的暗挖车站的竖向压力可按太沙基公式或普氏公式计算。
      (2)静水压力。静水压力对不同类型的地下结构将产生不同的荷载效应。静水压力对圆形或接近圆形的结构的作用是有利的,因此宜按可能的最低水位考虑;而对矩形结构或验算结构的抗浮时应按可能出现的最高水位考虑。
      一般地,粘土地层(含粉质粘土)中施工阶段水压力与土压力一道计算(水土合算),使用阶段水压力与土压力分开计算(水土分算);砂土地层(含粘质粉土)中施工阶段和使用阶段水压力与土压力均分开计算。水土合算时,地下水位以上的土采用天然重度 ,水位以下的土采用饱和重度 ,计算土压力,不计静水压力;水土分算时,地下水位以上的土采用天然重度 ,水位以下采用有效重度 计算土压力,另外再计算静水压力。
      (3)地面车辆荷载。一般计算中均将地面车辆荷载简化为均布荷载。当覆盖层厚度较小时,两个轮压的扩散线不相交时可按局部均布压力计算;当无覆盖层时,地面车辆荷载应按集中力考虑,并应考虑最不利荷载位置。
      对于车站顶板,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;对于车站底板,地面轮压所引起的反向荷载,考虑框架的扩散作用,比顶板上的地面荷载小。
      单个轮压传递的竖向压力(图2):
       地铁车站的建筑和结构毕业设计指导书 -图2
      式中: 为地面车辆轮压传递到计算深度处的竖向压力; 为车辆单个轮压;a、b为地面单个轮压的分布长度和宽度; 为地面相邻两个轮压的净距;n为轮压的数量; 为车辆荷载的动力系数。
    地铁车站的建筑和结构毕业设计指导书 -图3
      图3 车辆荷载多轮压力计算图式
      (4)地震荷载。地震对地铁车站结构的影响可以分为剪切错位和振动。靠车站结构来抵抗由于地震引起的剪切错位几乎是不可能的,因此车站结构的地震作用分析仅局限于在假定土体不会丧失完整性的前提下考虑其振动效应。
      车站结构在地震力的作用下,一般采用静力法或拟静力法计算。静力法或拟静力法就是将随时间变化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。
      在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;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。
      等代的静地震荷载包括:结构本身和洞顶上方土柱的水平、垂直惯性力以及主动土压力增量。
      地层作用于结构上的强迫位移可分为横向和纵向两类,主要以纵向为主。
      (5)其他荷载:
      1)车站上面的覆土荷载,当规划高于现有路面时,应按今后路面增高的要求考虑。
      2)地表施工阶段施工机具荷载一般可取20kPa,有特殊要求时可适当放大。
      3)车站上部建有建筑物时,应计入其垂直荷载。
      4)内部人群荷载按《建筑结构荷载规范》计,一般站厅层为4kN/m2,站台层为5kN/m2。
      5)内部设备荷载一般按10kPa计算,重型设备荷载(例如变压器、10~35kV氟化硫开关柜、冷水机组、风机、自动扶梯等)另计。计算中除按设备使用时的荷载计算外,还应验算设备运输安装过程中的不利工况(有多种吊运路线时要求同时考虑)。
      6)列车荷载按等效静载20kPa计算。
      3、车站结构选型和施工方法的确定
      地铁车站根据车站规模、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型式和施工方法。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。
      地铁车站按照施工方法可分为明挖法施工的车站结构、暗挖法(盖挖法)施工的车站结构、矿山法施工的车站结构和盾构法施工的车站结构。
      (1)明挖法和盖挖法施工的车站结构。明挖车站一般采用矩形框架结构或拱形结构。矩形结构可以设计成单层、双层、单跨、双跨或多层多跨(图4)等型式;拱形结构一般采用单跨单层或单跨双层型式。盖挖车站多采用矩形框架结构(图5),与明挖车站矩形框架相同,其与明挖车站的主要区别在于施工方法和顺序不同。
    地铁车站的建筑和结构毕业设计指导书 -图4
      图4 上海地铁徐家汇站(与下立交隧道合建)           图5 北京地铁水安里站
      明挖车站有整体现浇、全装配、与围护墙组合现浇以及部分装配等成型方法。盖挖车站一般均采用与围护墙结合现浇的成型方法,又分为盖挖顺作法、半逆作法和逆作法。
      软土地区地铁车站一般采用地下墙或钻孔灌注桩作为施工阶段的围护结构。地下墙可作为主体侧墙结构的一部分、内部现浇钢筋混凝土组成双层衬砌结构;也可将单层地下墙作为主体侧墙结构。单、双层墙应经工程造价、进度、结构整体性、防水堵漏、施工处理等综合比较后,根据不同地质、周围环境等选用。
      单层侧墙即地下墙在施工阶段作为围护结构,建成后使用阶段又是主体结构的侧墙,内部结构的板直接与单层墙相接。在地下墙中可采用预埋“锥螺纹钢筋连接器”将板的钢筋与地下墙的钢筋相接,确保单层侧墙与板的强度及刚度。砂性地层中不宜采用单层侧墙。
      双层侧墙即地下墙在施工阶段作为围护结构,回筑时在地下墙内侧现浇钢筋混凝土内衬侧墙,与先施工的地下墙组成叠合结构,共同承受使用阶段的水土侧压力,板与双层墙组成现浇钢筋混凝土框架结构。
      (2)矿山法施工的车站结构。矿山法施工的车站视地层条件、施工方法及其使用要求的不同,可采用单拱式、双拱式或三拱式车站,还可以作成单层或双层(见图1中的7、8、12~15)。
      此类车站的开挖断面一般较大,开挖方法对洞室稳定、地面沉降和支护受力等影响较大,在第四纪土层开挖常需采用辅助施工措施。
      (3)盾构法施工的车站结构。盾构法施工的车站一般采用单圆盾构或单圆盾构与半盾构结合或单圆盾构与矿山法结合或多圆盾构修建。结构型式有双并列圆形隧道加横向通道侧式站台车站、三圆形隧道加横向通道的三拱塔柱式车站以及立柱式车站(图1中9~11)
      4、地铁车站围护结构设计
      (1)入土深度计算(基坑稳定性验算)。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。
      基坑抗隆起验算时一般以最下一道支撑与围护墙的交点为滑弧中心,围护墙底面为滑裂圆弧的分层计算方法。稳定安全系数一般取为1.5~2.0,也可参考工程实践经验,按现场周围环境、地质、施工方法等因素综合考虑后确定。
      防止管涌的验算一般采用动水坡度小于极限水坡度的方法,即
    地铁车站的建筑和结构毕业设计指导书 -图5
      式中: 为围护墙体内外面的水头差;L为产生水头损失的最短流线长度; 为极限动水坡度;I为动水坡度; 为土颗粒密度;e为土的孔隙比。
      (2)围护结构计算。对于明挖顺作法施工的围护结构计算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(包括弯矩冲切)包络图计取。
      5、内衬侧墙计算
      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。当采用双层墙结构时,基坑开挖阶段荷载全部由地下承受,内部结构回筑后与地下墙按叠合墙计算。
      内衬侧墙配筋:一般外侧面仅在地下墙幅间接缝两侧各1m范围内(墙面凸出混凝土应先行凿除干净)设置构造钢筋网;内侧面按设计要求配筋,截面计算中应将地下墙与内衬侧墙视为整体。
      上海地铁中建议凿毛清洗后的地下墙内面与后浇内衬混凝土间的允许抗剪强度取0.7Mpa,凡结合面上计算剪应力小于或等于0.7Mpa时,不需配置抗剪钢筋;凡结合面上计算剪应力大于0.7Mpa,宜配置抗剪钢筋。
      6、地铁车站结构设计
      这里主要介绍明挖车站结构的计算。
      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。一是按车站的结构型式、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。二是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。
      将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。
      框架结构基底反力可以采用两种计算方法:假设结构是刚性体,则基底反力的大小和分布即可根据静力平衡条件求得;假设结构为温克尔地基上的矩形框架,根据地基变形计算基底每一点的反力。
      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;与纵梁支座处的横向板带相比,在纵梁跨中处通常是板支座负弯矩减小,板跨中正弯矩增加。
      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搬直,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入,以减小跨中正弯矩。
      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,要求考虑轴向力N的最大、最小可能值(施工阶段及使用阶段地下墙外侧压力变化所引起)及挠度对轴向力偏心距的影响(偏心距增大系数 η),以确保结构安全。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。当沿车站纵向的覆土厚度、上部建筑物荷载、内部结构型式变化较大时,或基底地层有显著差异时,还应进行结构纵向受力分析。

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    编号 52S80503736

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