淺析地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬分析

黃宇

摘要：在地鐵工程設(shè)計(jì)的整個過程中，地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該放在至關(guān)重要的地位，每一個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸擬定和鋼筋參數(shù)都應(yīng)該經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算，才能以最經(jīng)濟(jì)合理的造價(jià)建設(shè)出安全的地鐵服務(wù)設(shè)施。文章以實(shí)際工程為背景，重點(diǎn)闡述地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)在非常復(fù)雜的情形下應(yīng)注意的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

關(guān)鍵詞：地鐵車站附屬結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);整體計(jì)算;局部計(jì)算

1 工程概況

本站是某市軌道交通一號線的某個車站。車站選用雙島12m站臺三層三柱四跨矩形結(jié)構(gòu)型式，其中，負(fù)一層為物業(yè)層，負(fù)二層為站廳層，負(fù)三層為站臺層。本站設(shè)置10個出入口（含物業(yè)）、5個消防口、4組風(fēng)亭、一組冷卻塔，頂板覆土均約為2m。

2 計(jì)算原則及荷載

2.1 計(jì)算原則

1）地鐵工程設(shè)計(jì)使用年限為100年。主體結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1。

2）主體結(jié)構(gòu)按6度抗震設(shè)防烈度及6級人防抗力進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)按三級抗震采取相應(yīng)的構(gòu)造處理措施。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別按施工階段和正常使用階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算以及裂縫寬度驗(yàn)算，并滿足剛度、穩(wěn)定性及耐久性等要求。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級為三級，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件允許出現(xiàn)裂縫。按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長期作用影響的最大計(jì)算裂縫寬度允許值，對于迎水面為0.2mm，對于背水面為0.3mm，且不得有貫穿裂縫。

2.2 計(jì)算理論分析及荷載

1）計(jì)算理論

采用荷載結(jié)構(gòu)模型有限桿單元法進(jìn)行計(jì)算，車站結(jié)構(gòu)按底板支撐在彈性地基上的平面框架進(jìn)行內(nèi)力分析。用布置于節(jié)點(diǎn)上的彈簧單元來模擬地基與底板的相互約束;假定彈簧不承受拉力，即不計(jì)地基與底板間的粘結(jié)力;彈簧受壓時(shí)的反力即為地基對底板的彈性抗力。

2）計(jì)算荷載

結(jié)構(gòu)自重：指結(jié)構(gòu)自身重量產(chǎn)生的沿各構(gòu)件斷面軸線均勻分布的豎向荷載。

垂直地層壓力：垂直壓力即為其上覆填土的重量。

水平地層側(cè)壓力：為垂直壓力乘以側(cè)壓力系數(shù)。

彈性抗力：為地層對結(jié)構(gòu)的約束力，其值為抗力系數(shù)與約束變位之乘積。

靜水壓力：在計(jì)算水土壓力時(shí)，根據(jù)地形、水文地質(zhì)、地層的滲透性、施工方法等條件確定采用水土合算還是水土分算的原則。

地面超載：20kN/m2。

人群荷載：4kN/m2。

設(shè)備荷載：8kN/m2。

人防荷載：人防按核6級、常6級設(shè)防。作用在頂板、側(cè)墻、底板的人防等效靜荷載按照規(guī)范，根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行計(jì)算。等效靜載值可參考應(yīng)用以下值：主體結(jié)構(gòu)作用在頂板上的等效靜載為 70 kN/m2，側(cè)墻為 50～55 kN/m2，底板為60 kN/m2。

3 附屬主體結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度。采用以分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根據(jù)承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的要求，分別按下列規(guī)定進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算。

承載力及穩(wěn)定：所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均應(yīng)進(jìn)行承載力（包括壓曲失穩(wěn)）計(jì)算;需考慮地震、施工等特殊荷載的作用，尚應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震承載力計(jì)算。

結(jié)構(gòu)計(jì)算簡化模型的確定，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作條件，并反映結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用。

計(jì)算假定：

采用荷載結(jié)構(gòu)模型有限桿單元法進(jìn)行計(jì)算，車站結(jié)構(gòu)按底板支撐在彈性地基上的平面框架進(jìn)行內(nèi)力分析。

用布置于節(jié)點(diǎn)上的彈簧單元來模擬地基與底板的相互約束;假定彈簧不承受拉力，即不計(jì)地基與底板間的粘結(jié)力;彈簧受壓時(shí)的反力即為地基對底板的彈性抗力

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

1）結(jié)構(gòu)選型

車站附屬明挖結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆整體式框架結(jié)構(gòu)，車站附屬主體為單層多跨（局部為兩層單跨）框架結(jié)構(gòu)型式。

2）主體結(jié)構(gòu)主要尺寸擬定

經(jīng)初步計(jì)算及類比其他地區(qū)地鐵及地下空間設(shè)計(jì)工程的經(jīng)驗(yàn)，擬定車站附屬結(jié)構(gòu)主要尺寸，如下所示：頂板厚度0.9m;底板厚度0.9m;側(cè)墻厚度0.6（0.7）;柱斷面尺寸0.8×1.0m;頂縱梁斷面尺寸1.0×1.8m;底縱梁斷面尺寸1.0×1.8m。

3.2附屬主體結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算

頂板土壓：Ft=25kN/m;頂板水壓：Fs=25kN/m;

頂板超載：Fc=20kN/m。

負(fù)一層板、負(fù)二層板人群荷載：Fr=4kN/m;負(fù)一層板、負(fù)二層板設(shè)備荷載：Fsb=8kN/m。

主體結(jié)構(gòu)底板水壓：Fs=215.3kN/m;

附屬結(jié)構(gòu)底板水壓：Fs=91kN/m;。

主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻水壓：Fs1=25kN/m;Fs2=215.3kN/m;

附屬結(jié)構(gòu)側(cè)墻水壓：Fs1=25kN/m;Fs2=91kN/m;

3.3東北側(cè)附屬頂板計(jì)算內(nèi)力如圖

由于車站東北側(cè)、西北側(cè)附屬結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，故將模型進(jìn)行適當(dāng)簡化后采用整體計(jì)算。計(jì)算模型詳見下圖：

圖1 附屬主體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.4計(jì)算過程及結(jié)果

通過對附屬結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行數(shù)值模擬分析計(jì)算，得出頂板、底板、側(cè)墻、頂梁、底梁及柱的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，如下圖所示（西北側(cè)的內(nèi)力圖未表示）。通過結(jié)構(gòu)內(nèi)力得出結(jié)構(gòu)的配筋參數(shù)如下表所示。可知，采用上述結(jié)構(gòu)尺寸及合理的配筋參數(shù)，滿足鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖2 東北側(cè)附屬頂板承載力極限狀態(tài)彎矩圖（kN·m）

圖3? 東北側(cè)附屬頂梁承載力極限狀態(tài)彎矩圖（kN·m）

東北側(cè)附屬結(jié)構(gòu)最大配筋匯總表（西北側(cè)略）

結(jié)構(gòu)部位

彎矩計(jì)算配筋

剪力計(jì)算配筋

裂縫寬度（mm）

備注

頂板

支座

E22@100+E25@200

Φ10@200x300

0.197

裂縫控制

跨中

E22@100

Φ10@200x300

0.255

裂縫控制

底板

支座

E22@100+E25@100

Φ10@200x300

0.197

裂縫控制

跨中

E22@100

Φ10@200x300

0.234

裂縫控制

側(cè)墻

支座

E20@100+E22@100

Φ10@200x300

0.188

裂縫控制

跨中

E20@100

Φ10@200x300

0.285

裂縫控制

頂梁

支座

11E28+19E32

-

0.164

裂縫控制

跨中

11E28+6E32

-

0.246

裂縫控制

底梁

支座

4E32+11E28

-

0.081

裂縫控制

跨中

11E28

-

0.055

裂縫控制

結(jié)構(gòu)柱

36E25

-

0.181

裂縫控制

3.5附屬主體結(jié)構(gòu)斷面計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)段橫剖面計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)段橫剖面計(jì)算內(nèi)力如圖所示：

圖4? 標(biāo)準(zhǔn)段橫剖面承載力極限狀態(tài)彎矩圖（kN·m）

由于軸力及剪力對計(jì)算結(jié)果不起控制性作用，在橫剖面計(jì)算時(shí)就不再給出計(jì)算結(jié)果，僅在計(jì)算主筋時(shí)考慮軸力的影響，以及取頂板、底板及側(cè)墻剪力的最大值進(jìn)行驗(yàn)算結(jié)構(gòu)抗剪是否滿足要求。

通過以上橫斷面計(jì)算與整體結(jié)構(gòu)計(jì)算對比可知：橫斷面計(jì)算結(jié)果相對于整體計(jì)算來說，計(jì)算結(jié)果偏小，因此車站結(jié)構(gòu)配筋以整體計(jì)算結(jié)果進(jìn)行控制。

4 小結(jié)

綜上所述，在地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜的情形下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力整體分析與常規(guī)的斷面分析在分布規(guī)律上是相同的，但最大設(shè)計(jì)內(nèi)力卻是以整體分析更為合理，因此當(dāng)遇到類似不規(guī)則結(jié)構(gòu)斷面形式時(shí)，應(yīng)以結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果作為控制條件。