地铁车站设计中主体结构与附属结构连接设置变形缝问题的探讨 摘要：地铁车站与附属通道或风道结构通常情况下采用变形缝连接，以防止两个刚度相差较大，在遇不均匀沉降时，发生连接部位结构开裂破坏的情况，但当附属结构规模较大时，情况又会发生什么变化？本文主要以简单模型分析并由此探讨在地铁设计过程中，结构规模与连接形式之间的相互关系。
关键词：变形缝;结构连接
太安站为深圳地铁5号线站点之一，位于布心路、太白路之间。由于其为换乘站，建筑面积庞大，但地理环境狭窄，故本站采用了垂直换乘的模式。主体结构为地下三层结构，该站1号风亭为地下3层，地面1层结构，规模较一般风亭规模大。该风亭与车站地下1、2层连接，而如此较大跨度及纵深的结构连接，设置变形缝连接的利弊，便成为设计任务中一个值得探讨的问题。 从变形缝的功能来看，变形缝主要是能够使结构产生自由变形，以防止结构因变形差异较大产生局部应力集中而使结构破坏。根据《地铁设计规范》第10.6.1条规定在车站结构与出入
口通道等附属建筑的结合部应设置变形缝。因此，对于出入口通道或者狭长风道这种结构，与车站连接应设置变形缝，故不属于本文所讨论的范围。本文主要讨论对于较大规模的风亭等附属结构，在连接位置设或不设变形缝的区别。但从技术上而言，设或者不设置变形缝，都可以通过设计调整使结构满足安全要求，本文即针对大规模风亭结构与主体结构连接时，设与不设变形缝的各种情况进行分析，尝试说明连接形式的不同，对结构所产生的影响。
为了分析这个问题，我们采用2组模型，每组模型2个结构形式连接，运用Sap2000有限元分析软件进行分析，然后比较两者存在的差异，以说明相关问题。
模型组1：车站结构三层；风亭结构一层；结构1主体结构与风亭结构间设置变形缝；结构2不设变形缝。结构周边与土体接触，采用Sap2000的Gap单元模拟，该单元只承担压力。变形缝处采用一特殊弹簧，该弹簧只受压。
模型组2：车站结构三层；风亭结构二层；其余条件均同模型组1。模型组2中采用的弹簧形式与模型组1相同。
为了保证模型在所有作用下不处于非静定状态，因此在主体结构及风亭结构下均设有约束，以模拟桩基础效果。这里有一点需要说明，风亭底部采用一个固定铰支座，主要考虑到，一方面不论风亭与主体是否设置变形缝，都应将风亭基础持力层保持与主体结构相当，以控制相当的沉降量，另一方面，也要满足风亭结构抗浮的需要。而相对主体结构及风亭结构箱体刚度而言，桩端相对刚度要小，因此采用铰形式。
模型考虑了结构自重、水压力、土压力、温度、人、列车、设备等荷载作用，为简洁起见，水土压力采用取至地面的高水位工况。
通过Sap2000软件进行结构分析，分析完成后，可以得到如下的变形图示：
图1 模型组1变形图示
*注：图中变形采用了一定的放大比例显示，以清晰变形形式。
图2 模型组2变形图示
首先，由图1、图2所示的变形可以看出：水平变形量而言，设变形缝的两层风亭结构比一层结构大，而设变形缝的结构，从整体变形上看要大于设不设变形缝的结构。由于风亭底部设桩，整个风亭的变形有转动的趋势。因此越靠近顶板，变形幅度越大。
经过对两组模型的水平位移数值分析，我们暂能得出如下结论：附属结构规模大到一定程度，变形缝将被压缩，而不足以维持，两侧结构接触，并传递力。反之，当附属结构规模足够小，变形缝才能维持，两端均可视为自由端，不传递力，此时变形缝才能发挥应用作用。
其次，我们通过对结构内力数值进行分析可知，风亭的顶底板的跨中弯矩取消变形缝后大大减小，而靠近连接点位置的支座弯矩增大。风亭下方位置的主体侧墙受影响较大，同样跨中弯矩减小，而支座弯矩增大。而需要注意的是，主体结构远端侧墙根部的负弯矩，对于单层风亭结构而言，设与不设变形缝，弯矩相差不大，但是对于两层风亭结构，取消变形缝后，墙脚处负弯矩明显减小。 我们将模型计算的内力经过统计分析，可以看出，不设变形缝跨中弯矩大大减小，而左支座处弯矩大大增加。右支座弯矩有所减小。并且大弯矩值由右支座转到左支座，即转到连
接部位处。风亭下部主体侧墙弯矩能明显看到不设变形缝跨中弯矩减小，但是随着风亭规模增大，支座处负弯矩增大却不再明显。而风亭的顶底板也有这个特点，当最大支座弯矩由右支座转移到左支座的时候，随着风亭规模增大，其增量不再明显。风亭对侧主体侧墙则与其余部位相反，支座弯矩有所减小，而跨中弯矩有所增大。就其设计角度来看，不设变形缝各部位的弯矩值却随着风亭规模增大更显合理。
有上述内力值的分析可见，当风亭结构规模较大时，设置变形缝，将会令结构不论是从变形上还是受力上，将会更为不利。就内力值结构分析而言，我们可以做出如下结论：不设变形缝连接较之设置变形缝连接，会使附属结构顶底板以及附属结构之下的主体侧墙等部位的跨中弯矩减小，支座弯矩增大。但随着附属结构规模增大，跨中弯矩减小效果依然明显，但支座弯矩增大效果不再明显。对应结构连接位置的远端主体侧墙，则会表现为跨中弯矩增大，支座弯矩减小。但随着附属结构规模增大，跨中弯矩增大效果不再明显，但支座弯矩减小效果依然明显。
总结：地铁车站设计中，对于大跨度，大规模的附属结构与主体结构连接，不可一概而论设或者不设变形缝。需根据实际情况做出判断，就本文分析后而得出的一般性的建议：当
地质状况良好，基础地质较为均匀时，如遇较大规模附属结构（两层或两层以上）与主体连接时，可不设置变形缝。连接部位通过增加负弯矩钢筋以及设置腋角等措施加强，则可加强结构整体刚度，对于受力、变形等均为合理。而对于主体和附属基础地质差异较大时，可进行基底处理，设置桩基础。本文中多给出定性方向的分析，如何定量决定或者拟定一个设置或不设置变形缝的充分必要条件，是需要通过大量和复杂的理论推导，并经工程实践检查才可能得出，对此方面的深入研究，亦有相当长的一段路需要去探索。
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