淺析SAP2000在地鐵車站平面和整體計(jì)算中的應(yīng)用

閔劍

摘 要：SAP2000作為集成化的通用結(jié)構(gòu)有限元軟件，廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)。文章以某地鐵車站為例，介紹SAP2000在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，以期對(duì)類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：SAP2000；地鐵車站；平面模型；整體模型

地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型中，標(biāo)準(zhǔn)段一般按平面問(wèn)題簡(jiǎn)化成底板支承在彈性地基上的矩形框架進(jìn)行計(jì)算。盾構(gòu)端頭井或車站與風(fēng)道、出入口連接處等空間效應(yīng)比較明顯的部位，傳統(tǒng)的平面簡(jiǎn)化模型將各構(gòu)件分開單獨(dú)計(jì)算，未考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)，不能很好的反應(yīng)這種空間效應(yīng)，所以需建立空間整體模型來(lái)分析結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下的內(nèi)力和變形。SAP2000軟件能很好的模擬上述兩種情況下的模型，得到滿足工程要求的計(jì)算結(jié)果。

1 工程概況

武漢某地鐵車站為地下三層三跨島式車站，矩形框架結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)始發(fā)車站。車站長(zhǎng)約187m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.1m，盾構(gòu)擴(kuò)大端29.4m，設(shè)置4個(gè)出入口和2組風(fēng)亭。車站頂板覆土3.5m，底板埋深26.5m～28.46m，開挖面積約為5905.2m2。采用明挖法施工。車站東西端分別設(shè)置兩個(gè)尺寸為7500×11500mm的盾構(gòu)吊裝工作井，待盾構(gòu)施工完成后封閉。

2 巖土力學(xué)參數(shù)

車站建模時(shí)需要的巖土力學(xué)參數(shù)主要有天然容重、垂直和水平基床系數(shù)和靜止側(cè)壓力系數(shù)等，建模時(shí)取各地層參數(shù)的平均值。參照勘察地質(zhì)報(bào)告的參數(shù)建議值，地層容重取20KN/m3，垂直和水平基床系數(shù)分別取50000Kpa和 60000Kpa，靜止側(cè)壓力系數(shù)0.45，抗浮設(shè)防水位取地面標(biāo)高。

3 材料、截面尺寸和荷載

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，主要構(gòu)件材料選取如下：柱子的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，其余構(gòu)件均為C35。主要構(gòu)件尺寸（括號(hào)內(nèi)為盾構(gòu)段構(gòu)件的尺寸）擬定為：頂板厚800mm（900mm），站廳層和設(shè)備層板厚400mm，底板厚1000mm（1200mm），地下一層側(cè)墻700mm，地下二三層側(cè)墻900mm（1000mm），柱子截面尺寸為800×1200mm。

車站結(jié)構(gòu)所受荷載包含永久荷載、可變荷載和偶然荷載。永久荷載包含結(jié)構(gòu)自重和水土壓力設(shè)備荷載等，可變荷載包含地面超載、人群荷載和施工荷載等，偶然荷載包含人防荷載和地震荷載。荷載組合按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定，采用極限承載力狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載效應(yīng)組合。結(jié)構(gòu)荷載模型簡(jiǎn)圖如圖1所示。

4 標(biāo)準(zhǔn)段平面模型建立與計(jì)算分析

4.1 建立模型

本車站標(biāo)準(zhǔn)段成狹長(zhǎng)型，以平面應(yīng)變?yōu)橹?，故?jì)算模型取單位長(zhǎng)度按平面桿系有限單元法進(jìn)行計(jì)算。在SAP2000軟件中，首先按照結(jié)構(gòu)中心線尺寸建立X-Z軸網(wǎng)，X向軸向間距為7.5m、7.2m、7.5m，Z向軸向間距為8.11m、6.2m、5.85m，。軸網(wǎng)自動(dòng)生成后，定義構(gòu)件材料和框架截面的相關(guān)屬性。本模型只需定義C35和C50兩種混凝土材料。梁、板、墻和圍護(hù)墻定義為寬度1m的相關(guān)框架單元，柱子按剛度等效原則換算成墻厚。梁柱構(gòu)件通過(guò)共節(jié)點(diǎn)的方式反應(yīng)構(gòu)件的協(xié)調(diào)變形作用?？紤]圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的共同作用，在圍護(hù)單元與側(cè)墻單元之間只傳遞徑向壓力不傳遞切向剪力的作用，添加剛度無(wú)限大（按經(jīng)驗(yàn)取1.0E+09）的GAP來(lái)模擬這種相互作用。底板與地基間的作用使用GAP單元來(lái)模擬，有效剛度取垂直基床系數(shù)×作用面積，并約束相關(guān)節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。建立好的模型如圖2所示。

4.2 計(jì)算分析

本模型分別進(jìn)行了施工階段、使用階段、人防和地震工況的計(jì)算，結(jié)果表明地震荷載和人防荷載不起控制作用，故取用施工階段和使用階段的各內(nèi)力包絡(luò)圖進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)段各內(nèi)力包絡(luò)圖如圖3、4、5所示。從圖中可以直接讀取構(gòu)件各處的設(shè)計(jì)最不利內(nèi)力值。對(duì)于板及側(cè)墻，依據(jù)讀取的彎矩值可知，在構(gòu)件支座和跨中處的彎矩最大，是設(shè)計(jì)的控制彎矩。各板及側(cè)墻按此控制彎矩，以正截面承載力計(jì)算的方法來(lái)配筋設(shè)計(jì)，并滿足最小配筋率0.2%和裂縫控制0.2mm的要求。構(gòu)件斜截面承載力計(jì)算取剪力的最大值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于梁構(gòu)件按照多跨連續(xù)梁，依照框架柱與板交叉處的軸力數(shù)值之差作為線荷載加載到連續(xù)梁上進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

5 盾構(gòu)段空間模型建立與計(jì)算分析

5.1 建立模型

空間整體有限元模型由各種面單元和框架單元組合而成，模型尺寸根據(jù)盾構(gòu)段構(gòu)件中心線來(lái)確定。結(jié)構(gòu)頂板、中板、底板及側(cè)墻采用shell單元，用于模擬板的彎曲和翹曲。梁和柱單元采用框架單元。梁、板、柱和墻單元節(jié)點(diǎn)在在相同位置處用共節(jié)點(diǎn)的方式來(lái)反應(yīng)各構(gòu)件的共同作用變形。側(cè)墻和底板與地層的作用采用只能受壓的面彈簧來(lái)模擬。盾構(gòu)井與標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)連接處添加繞橫軸的轉(zhuǎn)動(dòng)約束和縱軸向位移約束。結(jié)構(gòu)荷載按照?qǐng)D1所示的方式添加到各荷載模式中，其中端頭井側(cè)墻地面超載取75KN/m2，側(cè)墻取35 KN/m2。建立好的盾構(gòu)段三維模型如圖6所示。

5.2 計(jì)算分析

（1）通過(guò)計(jì)算分析可知，地震和人防工況不起控制作用，直接取用施工階段和使用階段的內(nèi)力包絡(luò)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)。

（2）從框架梁和框架柱所受內(nèi)力可知，水平框架梁不僅承受彎矩和剪力，還承受較大的軸力和扭矩。例如第三層框架梁，其軸力達(dá)4200KN，扭矩為1300KN.m。但是傳統(tǒng)的平面簡(jiǎn)化模型是按導(dǎo)荷載的方式進(jìn)行計(jì)算，只能得到彎矩和剪力值，與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力出入較大。這表明相對(duì)于平面模型而言，整體計(jì)算模型更符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需全面分析計(jì)算結(jié)果，以達(dá)到結(jié)構(gòu)使用安全和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

（3）盾構(gòu)井端墻的彎矩圖如圖7和圖8所示。由圖可知，端墻承受雙向彎矩，應(yīng)按雙向板配筋。端墻在盾構(gòu)開孔和板柱、板墻連接區(qū)域有較大范圍的應(yīng)力集中，在這些部位應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)配筋及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施。底板和側(cè)墻部位與端墻類似，均承受雙向彎矩，也需按雙向板配筋。盾構(gòu)段墻板構(gòu)件均呈現(xiàn)雙向板特性，一般不能使用平面模型進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章分別從平面模型和整體模型兩個(gè)方面介紹了使用SAP2000軟件計(jì)算地鐵車站的一般方法和步驟。對(duì)于狹長(zhǎng)型的標(biāo)準(zhǔn)段部位以平面應(yīng)變?yōu)橹?，故采用平面框架模型進(jìn)行受力分析在一定程度上滿足實(shí)際工程的要求。但是對(duì)于盾構(gòu)段這種復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，平面模型分析會(huì)出現(xiàn)不符合結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀況的情況，出現(xiàn)較大偏差。為了保證結(jié)構(gòu)安全和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于這類有樓板和端墻大開洞以及結(jié)構(gòu)與風(fēng)道和出入口連接處等應(yīng)力分布較復(fù)雜的部位，需建立局部區(qū)域整體模型進(jìn)行分析，避免因平面簡(jiǎn)化模型未考慮大洞口和忽略構(gòu)件整體協(xié)調(diào)變形等條件而引起計(jì)算誤差過(guò)大，可靠度難以保證的弊端。經(jīng)過(guò)實(shí)例論證，無(wú)論是平面模型還是復(fù)雜的空間模型，SAP2000軟件的分析結(jié)果均可以直接運(yùn)用于地鐵工程設(shè)計(jì)中，且具有較高的可靠度。

參考文獻(xiàn)

[1]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP2000中文版使用指南（第二版）[M] .北京：人民交通出版社.

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[3]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50009-2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[4]丁春林.地鐵車站端頭井受力計(jì)算模型研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，35（5）endprint

摘 要：SAP2000作為集成化的通用結(jié)構(gòu)有限元軟件，廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)。文章以某地鐵車站為例，介紹SAP2000在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，以期對(duì)類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：SAP2000；地鐵車站；平面模型；整體模型

地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型中，標(biāo)準(zhǔn)段一般按平面問(wèn)題簡(jiǎn)化成底板支承在彈性地基上的矩形框架進(jìn)行計(jì)算。盾構(gòu)端頭井或車站與風(fēng)道、出入口連接處等空間效應(yīng)比較明顯的部位，傳統(tǒng)的平面簡(jiǎn)化模型將各構(gòu)件分開單獨(dú)計(jì)算，未考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)，不能很好的反應(yīng)這種空間效應(yīng)，所以需建立空間整體模型來(lái)分析結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下的內(nèi)力和變形。SAP2000軟件能很好的模擬上述兩種情況下的模型，得到滿足工程要求的計(jì)算結(jié)果。

1 工程概況

武漢某地鐵車站為地下三層三跨島式車站，矩形框架結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)始發(fā)車站。車站長(zhǎng)約187m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.1m，盾構(gòu)擴(kuò)大端29.4m，設(shè)置4個(gè)出入口和2組風(fēng)亭。車站頂板覆土3.5m，底板埋深26.5m～28.46m，開挖面積約為5905.2m2。采用明挖法施工。車站東西端分別設(shè)置兩個(gè)尺寸為7500×11500mm的盾構(gòu)吊裝工作井，待盾構(gòu)施工完成后封閉。

2 巖土力學(xué)參數(shù)

車站建模時(shí)需要的巖土力學(xué)參數(shù)主要有天然容重、垂直和水平基床系數(shù)和靜止側(cè)壓力系數(shù)等，建模時(shí)取各地層參數(shù)的平均值。參照勘察地質(zhì)報(bào)告的參數(shù)建議值，地層容重取20KN/m3，垂直和水平基床系數(shù)分別取50000Kpa和 60000Kpa，靜止側(cè)壓力系數(shù)0.45，抗浮設(shè)防水位取地面標(biāo)高。

3 材料、截面尺寸和荷載

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，主要構(gòu)件材料選取如下：柱子的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，其余構(gòu)件均為C35。主要構(gòu)件尺寸（括號(hào)內(nèi)為盾構(gòu)段構(gòu)件的尺寸）擬定為：頂板厚800mm（900mm），站廳層和設(shè)備層板厚400mm，底板厚1000mm（1200mm），地下一層側(cè)墻700mm，地下二三層側(cè)墻900mm（1000mm），柱子截面尺寸為800×1200mm。

車站結(jié)構(gòu)所受荷載包含永久荷載、可變荷載和偶然荷載。永久荷載包含結(jié)構(gòu)自重和水土壓力設(shè)備荷載等，可變荷載包含地面超載、人群荷載和施工荷載等，偶然荷載包含人防荷載和地震荷載。荷載組合按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定，采用極限承載力狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載效應(yīng)組合。結(jié)構(gòu)荷載模型簡(jiǎn)圖如圖1所示。

4 標(biāo)準(zhǔn)段平面模型建立與計(jì)算分析

4.1 建立模型

本車站標(biāo)準(zhǔn)段成狹長(zhǎng)型，以平面應(yīng)變?yōu)橹?，故?jì)算模型取單位長(zhǎng)度按平面桿系有限單元法進(jìn)行計(jì)算。在SAP2000軟件中，首先按照結(jié)構(gòu)中心線尺寸建立X-Z軸網(wǎng)，X向軸向間距為7.5m、7.2m、7.5m，Z向軸向間距為8.11m、6.2m、5.85m，。軸網(wǎng)自動(dòng)生成后，定義構(gòu)件材料和框架截面的相關(guān)屬性。本模型只需定義C35和C50兩種混凝土材料。梁、板、墻和圍護(hù)墻定義為寬度1m的相關(guān)框架單元，柱子按剛度等效原則換算成墻厚。梁柱構(gòu)件通過(guò)共節(jié)點(diǎn)的方式反應(yīng)構(gòu)件的協(xié)調(diào)變形作用?？紤]圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的共同作用，在圍護(hù)單元與側(cè)墻單元之間只傳遞徑向壓力不傳遞切向剪力的作用，添加剛度無(wú)限大（按經(jīng)驗(yàn)取1.0E+09）的GAP來(lái)模擬這種相互作用。底板與地基間的作用使用GAP單元來(lái)模擬，有效剛度取垂直基床系數(shù)×作用面積，并約束相關(guān)節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。建立好的模型如圖2所示。

4.2 計(jì)算分析

本模型分別進(jìn)行了施工階段、使用階段、人防和地震工況的計(jì)算，結(jié)果表明地震荷載和人防荷載不起控制作用，故取用施工階段和使用階段的各內(nèi)力包絡(luò)圖進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)段各內(nèi)力包絡(luò)圖如圖3、4、5所示。從圖中可以直接讀取構(gòu)件各處的設(shè)計(jì)最不利內(nèi)力值。對(duì)于板及側(cè)墻，依據(jù)讀取的彎矩值可知，在構(gòu)件支座和跨中處的彎矩最大，是設(shè)計(jì)的控制彎矩。各板及側(cè)墻按此控制彎矩，以正截面承載力計(jì)算的方法來(lái)配筋設(shè)計(jì)，并滿足最小配筋率0.2%和裂縫控制0.2mm的要求。構(gòu)件斜截面承載力計(jì)算取剪力的最大值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于梁構(gòu)件按照多跨連續(xù)梁，依照框架柱與板交叉處的軸力數(shù)值之差作為線荷載加載到連續(xù)梁上進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

5 盾構(gòu)段空間模型建立與計(jì)算分析

5.1 建立模型

空間整體有限元模型由各種面單元和框架單元組合而成，模型尺寸根據(jù)盾構(gòu)段構(gòu)件中心線來(lái)確定。結(jié)構(gòu)頂板、中板、底板及側(cè)墻采用shell單元，用于模擬板的彎曲和翹曲。梁和柱單元采用框架單元。梁、板、柱和墻單元節(jié)點(diǎn)在在相同位置處用共節(jié)點(diǎn)的方式來(lái)反應(yīng)各構(gòu)件的共同作用變形。側(cè)墻和底板與地層的作用采用只能受壓的面彈簧來(lái)模擬。盾構(gòu)井與標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)連接處添加繞橫軸的轉(zhuǎn)動(dòng)約束和縱軸向位移約束。結(jié)構(gòu)荷載按照?qǐng)D1所示的方式添加到各荷載模式中，其中端頭井側(cè)墻地面超載取75KN/m2，側(cè)墻取35 KN/m2。建立好的盾構(gòu)段三維模型如圖6所示。

5.2 計(jì)算分析

（1）通過(guò)計(jì)算分析可知，地震和人防工況不起控制作用，直接取用施工階段和使用階段的內(nèi)力包絡(luò)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)。

（2）從框架梁和框架柱所受內(nèi)力可知，水平框架梁不僅承受彎矩和剪力，還承受較大的軸力和扭矩。例如第三層框架梁，其軸力達(dá)4200KN，扭矩為1300KN.m。但是傳統(tǒng)的平面簡(jiǎn)化模型是按導(dǎo)荷載的方式進(jìn)行計(jì)算，只能得到彎矩和剪力值，與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力出入較大。這表明相對(duì)于平面模型而言，整體計(jì)算模型更符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需全面分析計(jì)算結(jié)果，以達(dá)到結(jié)構(gòu)使用安全和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

（3）盾構(gòu)井端墻的彎矩圖如圖7和圖8所示。由圖可知，端墻承受雙向彎矩，應(yīng)按雙向板配筋。端墻在盾構(gòu)開孔和板柱、板墻連接區(qū)域有較大范圍的應(yīng)力集中，在這些部位應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)配筋及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施。底板和側(cè)墻部位與端墻類似，均承受雙向彎矩，也需按雙向板配筋。盾構(gòu)段墻板構(gòu)件均呈現(xiàn)雙向板特性，一般不能使用平面模型進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章分別從平面模型和整體模型兩個(gè)方面介紹了使用SAP2000軟件計(jì)算地鐵車站的一般方法和步驟。對(duì)于狹長(zhǎng)型的標(biāo)準(zhǔn)段部位以平面應(yīng)變?yōu)橹鳎什捎闷矫婵蚣苣Ｐ瓦M(jìn)行受力分析在一定程度上滿足實(shí)際工程的要求。但是對(duì)于盾構(gòu)段這種復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，平面模型分析會(huì)出現(xiàn)不符合結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀況的情況，出現(xiàn)較大偏差。為了保證結(jié)構(gòu)安全和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于這類有樓板和端墻大開洞以及結(jié)構(gòu)與風(fēng)道和出入口連接處等應(yīng)力分布較復(fù)雜的部位，需建立局部區(qū)域整體模型進(jìn)行分析，避免因平面簡(jiǎn)化模型未考慮大洞口和忽略構(gòu)件整體協(xié)調(diào)變形等條件而引起計(jì)算誤差過(guò)大，可靠度難以保證的弊端。經(jīng)過(guò)實(shí)例論證，無(wú)論是平面模型還是復(fù)雜的空間模型，SAP2000軟件的分析結(jié)果均可以直接運(yùn)用于地鐵工程設(shè)計(jì)中，且具有較高的可靠度。

參考文獻(xiàn)

[1]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP2000中文版使用指南（第二版）[M] .北京：人民交通出版社.

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[3]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50009-2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[4]丁春林.地鐵車站端頭井受力計(jì)算模型研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，35（5）endprint

摘 要：SAP2000作為集成化的通用結(jié)構(gòu)有限元軟件，廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)。文章以某地鐵車站為例，介紹SAP2000在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，以期對(duì)類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：SAP2000；地鐵車站；平面模型；整體模型

地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型中，標(biāo)準(zhǔn)段一般按平面問(wèn)題簡(jiǎn)化成底板支承在彈性地基上的矩形框架進(jìn)行計(jì)算。盾構(gòu)端頭井或車站與風(fēng)道、出入口連接處等空間效應(yīng)比較明顯的部位，傳統(tǒng)的平面簡(jiǎn)化模型將各構(gòu)件分開單獨(dú)計(jì)算，未考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)，不能很好的反應(yīng)這種空間效應(yīng)，所以需建立空間整體模型來(lái)分析結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下的內(nèi)力和變形。SAP2000軟件能很好的模擬上述兩種情況下的模型，得到滿足工程要求的計(jì)算結(jié)果。

1 工程概況

武漢某地鐵車站為地下三層三跨島式車站，矩形框架結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)始發(fā)車站。車站長(zhǎng)約187m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.1m，盾構(gòu)擴(kuò)大端29.4m，設(shè)置4個(gè)出入口和2組風(fēng)亭。車站頂板覆土3.5m，底板埋深26.5m～28.46m，開挖面積約為5905.2m2。采用明挖法施工。車站東西端分別設(shè)置兩個(gè)尺寸為7500×11500mm的盾構(gòu)吊裝工作井，待盾構(gòu)施工完成后封閉。

2 巖土力學(xué)參數(shù)

車站建模時(shí)需要的巖土力學(xué)參數(shù)主要有天然容重、垂直和水平基床系數(shù)和靜止側(cè)壓力系數(shù)等，建模時(shí)取各地層參數(shù)的平均值。參照勘察地質(zhì)報(bào)告的參數(shù)建議值，地層容重取20KN/m3，垂直和水平基床系數(shù)分別取50000Kpa和 60000Kpa，靜止側(cè)壓力系數(shù)0.45，抗浮設(shè)防水位取地面標(biāo)高。

3 材料、截面尺寸和荷載

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，主要構(gòu)件材料選取如下：柱子的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，其余構(gòu)件均為C35。主要構(gòu)件尺寸（括號(hào)內(nèi)為盾構(gòu)段構(gòu)件的尺寸）擬定為：頂板厚800mm（900mm），站廳層和設(shè)備層板厚400mm，底板厚1000mm（1200mm），地下一層側(cè)墻700mm，地下二三層側(cè)墻900mm（1000mm），柱子截面尺寸為800×1200mm。

車站結(jié)構(gòu)所受荷載包含永久荷載、可變荷載和偶然荷載。永久荷載包含結(jié)構(gòu)自重和水土壓力設(shè)備荷載等，可變荷載包含地面超載、人群荷載和施工荷載等，偶然荷載包含人防荷載和地震荷載。荷載組合按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定，采用極限承載力狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載效應(yīng)組合。結(jié)構(gòu)荷載模型簡(jiǎn)圖如圖1所示。

4 標(biāo)準(zhǔn)段平面模型建立與計(jì)算分析

4.1 建立模型

本車站標(biāo)準(zhǔn)段成狹長(zhǎng)型，以平面應(yīng)變?yōu)橹鳎视?jì)算模型取單位長(zhǎng)度按平面桿系有限單元法進(jìn)行計(jì)算。在SAP2000軟件中，首先按照結(jié)構(gòu)中心線尺寸建立X-Z軸網(wǎng)，X向軸向間距為7.5m、7.2m、7.5m，Z向軸向間距為8.11m、6.2m、5.85m，。軸網(wǎng)自動(dòng)生成后，定義構(gòu)件材料和框架截面的相關(guān)屬性。本模型只需定義C35和C50兩種混凝土材料。梁、板、墻和圍護(hù)墻定義為寬度1m的相關(guān)框架單元，柱子按剛度等效原則換算成墻厚。梁柱構(gòu)件通過(guò)共節(jié)點(diǎn)的方式反應(yīng)構(gòu)件的協(xié)調(diào)變形作用?？紤]圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的共同作用，在圍護(hù)單元與側(cè)墻單元之間只傳遞徑向壓力不傳遞切向剪力的作用，添加剛度無(wú)限大（按經(jīng)驗(yàn)取1.0E+09）的GAP來(lái)模擬這種相互作用。底板與地基間的作用使用GAP單元來(lái)模擬，有效剛度取垂直基床系數(shù)×作用面積，并約束相關(guān)節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。建立好的模型如圖2所示。

4.2 計(jì)算分析

本模型分別進(jìn)行了施工階段、使用階段、人防和地震工況的計(jì)算，結(jié)果表明地震荷載和人防荷載不起控制作用，故取用施工階段和使用階段的各內(nèi)力包絡(luò)圖進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)段各內(nèi)力包絡(luò)圖如圖3、4、5所示。從圖中可以直接讀取構(gòu)件各處的設(shè)計(jì)最不利內(nèi)力值。對(duì)于板及側(cè)墻，依據(jù)讀取的彎矩值可知，在構(gòu)件支座和跨中處的彎矩最大，是設(shè)計(jì)的控制彎矩。各板及側(cè)墻按此控制彎矩，以正截面承載力計(jì)算的方法來(lái)配筋設(shè)計(jì)，并滿足最小配筋率0.2%和裂縫控制0.2mm的要求。構(gòu)件斜截面承載力計(jì)算取剪力的最大值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于梁構(gòu)件按照多跨連續(xù)梁，依照框架柱與板交叉處的軸力數(shù)值之差作為線荷載加載到連續(xù)梁上進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

5 盾構(gòu)段空間模型建立與計(jì)算分析

5.1 建立模型

空間整體有限元模型由各種面單元和框架單元組合而成，模型尺寸根據(jù)盾構(gòu)段構(gòu)件中心線來(lái)確定。結(jié)構(gòu)頂板、中板、底板及側(cè)墻采用shell單元，用于模擬板的彎曲和翹曲。梁和柱單元采用框架單元。梁、板、柱和墻單元節(jié)點(diǎn)在在相同位置處用共節(jié)點(diǎn)的方式來(lái)反應(yīng)各構(gòu)件的共同作用變形。側(cè)墻和底板與地層的作用采用只能受壓的面彈簧來(lái)模擬。盾構(gòu)井與標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)連接處添加繞橫軸的轉(zhuǎn)動(dòng)約束和縱軸向位移約束。結(jié)構(gòu)荷載按照?qǐng)D1所示的方式添加到各荷載模式中，其中端頭井側(cè)墻地面超載取75KN/m2，側(cè)墻取35 KN/m2。建立好的盾構(gòu)段三維模型如圖6所示。

5.2 計(jì)算分析

（1）通過(guò)計(jì)算分析可知，地震和人防工況不起控制作用，直接取用施工階段和使用階段的內(nèi)力包絡(luò)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)。

（2）從框架梁和框架柱所受內(nèi)力可知，水平框架梁不僅承受彎矩和剪力，還承受較大的軸力和扭矩。例如第三層框架梁，其軸力達(dá)4200KN，扭矩為1300KN.m。但是傳統(tǒng)的平面簡(jiǎn)化模型是按導(dǎo)荷載的方式進(jìn)行計(jì)算，只能得到彎矩和剪力值，與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力出入較大。這表明相對(duì)于平面模型而言，整體計(jì)算模型更符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需全面分析計(jì)算結(jié)果，以達(dá)到結(jié)構(gòu)使用安全和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

（3）盾構(gòu)井端墻的彎矩圖如圖7和圖8所示。由圖可知，端墻承受雙向彎矩，應(yīng)按雙向板配筋。端墻在盾構(gòu)開孔和板柱、板墻連接區(qū)域有較大范圍的應(yīng)力集中，在這些部位應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)配筋及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施。底板和側(cè)墻部位與端墻類似，均承受雙向彎矩，也需按雙向板配筋。盾構(gòu)段墻板構(gòu)件均呈現(xiàn)雙向板特性，一般不能使用平面模型進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章分別從平面模型和整體模型兩個(gè)方面介紹了使用SAP2000軟件計(jì)算地鐵車站的一般方法和步驟。對(duì)于狹長(zhǎng)型的標(biāo)準(zhǔn)段部位以平面應(yīng)變?yōu)橹?，故采用平面框架模型進(jìn)行受力分析在一定程度上滿足實(shí)際工程的要求。但是對(duì)于盾構(gòu)段這種復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，平面模型分析會(huì)出現(xiàn)不符合結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀況的情況，出現(xiàn)較大偏差。為了保證結(jié)構(gòu)安全和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于這類有樓板和端墻大開洞以及結(jié)構(gòu)與風(fēng)道和出入口連接處等應(yīng)力分布較復(fù)雜的部位，需建立局部區(qū)域整體模型進(jìn)行分析，避免因平面簡(jiǎn)化模型未考慮大洞口和忽略構(gòu)件整體協(xié)調(diào)變形等條件而引起計(jì)算誤差過(guò)大，可靠度難以保證的弊端。經(jīng)過(guò)實(shí)例論證，無(wú)論是平面模型還是復(fù)雜的空間模型，SAP2000軟件的分析結(jié)果均可以直接運(yùn)用于地鐵工程設(shè)計(jì)中，且具有較高的可靠度。

參考文獻(xiàn)

[1]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP2000中文版使用指南（第二版）[M] .北京：人民交通出版社.

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[3]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50009-2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[4]丁春林.地鐵車站端頭井受力計(jì)算模型研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，35（5）endprint