地下水位變化對(duì)地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的影響研究

王志杰，何晟亞

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

地下水位變化對(duì)地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的影響研究

王志杰，何晟亞

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

為了研究地下水位對(duì)地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的影響，利用ANSYS數(shù)值模擬計(jì)算在基本荷載組合情況下，不同地下水位的地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)力值和偏心距。通過(guò)比較分析，可以得到不同的地下水位情況下頂板、中板、底板以及側(cè)墻的軸力和彎矩變化小，但是中板的偏心距在地下水位距地表10 m，在頂板以下6 m時(shí)，有一個(gè)最大峰值。雖然地下水位的變化對(duì)地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的影響小，但是仍需對(duì)底層中柱底部進(jìn)行加固。

地下水位 車(chē)站主體結(jié)構(gòu) 數(shù)值模擬 最大內(nèi)力值 偏心距

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，很多城市都開(kāi)始進(jìn)行地鐵建設(shè)。地鐵建設(shè)之初，需要開(kāi)展一些基礎(chǔ)性研究工作，例如計(jì)算模型的確定，荷載的確定，施工工法的確定和地下水位變化對(duì)地鐵車(chē)站的影響等等。而地下水位的變化，可以由多種原因產(chǎn)生，其中包括季節(jié)性降雨，過(guò)量使用地下水等等［1-5］。季節(jié)性降雨會(huì)使地下水位在某段時(shí)期上升，而過(guò)量使用地下水，則會(huì)使地下水位下降。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外案例的分析，地下水位的下降將會(huì)引起地表沉降;而地下水位的上升，將會(huì)引起地下結(jié)構(gòu)的上浮、結(jié)構(gòu)的腐蝕、滲水和開(kāi)裂等等［6］。無(wú)論是地下水位的上升和下降，都會(huì)引起結(jié)構(gòu)受力的變化，從而引起主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力和偏心距的變化［7］。此內(nèi)力和偏心距的變化規(guī)律以及是否影響地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)安全，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算大體可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是荷載結(jié)構(gòu)模型，另一類(lèi)是地層結(jié)構(gòu)模型。針對(duì)不同的情況，選用不同的模型進(jìn)行計(jì)算。由于地鐵車(chē)站位于城市中，其埋深較淺且有時(shí)會(huì)采用明挖法［8］，考慮到結(jié)構(gòu)被動(dòng)地承受?chē)鷰r松動(dòng)所產(chǎn)生的荷載，地鐵車(chē)站上覆的土層荷載、底板荷載以及側(cè)向荷載都可以確定，所以對(duì)此情況采用荷載結(jié)構(gòu)模型。

1 工程概況

某地鐵車(chē)站處于砂卵石地層中，結(jié)構(gòu)為兩層雙等跨單柱形式。由于環(huán)境條件允許，所以采用明挖法施工。主體結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)度等級(jí)為C30的鋼筋混凝土，保護(hù)層厚度為 60 mm。車(chē)站主體結(jié)構(gòu)底板埋深為15.25 m，頂板埋深為4 m，其結(jié)構(gòu)每跨為9.05 m，負(fù)一層高度為4.90 m，負(fù)二層高度為6.35 m。具體的土層參數(shù)見(jiàn)表1。由于地下水位的變化，可以將工況分為11個(gè)，地下水位分別為 1，2，3，4，5，6，8，10，12，14，16 m。不同工況下地鐵車(chē)站設(shè)計(jì)橫斷面示意如圖1。

表1 土層參數(shù)

2 荷載組合計(jì)算

地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)荷載組合分為兩類(lèi)，分別是基本荷載組合和標(biāo)準(zhǔn)荷載組合。對(duì)于地下水位變化引起的主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律，可以選取在基本荷載組合下的地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。其中基本荷載組合的計(jì)算公式為

圖1 不同工況下地鐵車(chē)站設(shè)計(jì)橫斷面示意

式中:SGik為永久作用標(biāo)準(zhǔn)值中的第 i個(gè)效應(yīng);SP為有關(guān)代表值的預(yù)應(yīng)力作用效應(yīng);SQ1k為第1個(gè)可變作用(主導(dǎo)可變作用)標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);SQjk為可變作用標(biāo)準(zhǔn)值中的第 j個(gè)效應(yīng);γGi為永久作用中第 i個(gè)的分項(xiàng)系數(shù);γP為預(yù)應(yīng)力作用的分項(xiàng)系數(shù);γQ1為第1個(gè)可變作用(主導(dǎo)可變作用)的分項(xiàng)系數(shù);γL1，γLj為第1個(gè)和第 j個(gè)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限的荷載調(diào)整系數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)使用年限與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期相同的結(jié)構(gòu)，應(yīng)取γL=1，房屋建筑的設(shè)計(jì)使用年限為100年時(shí)應(yīng)取該系數(shù)為1.1。γQj為可變作用中的第 j個(gè)分項(xiàng)系數(shù);ψcj為可變作用中的第j個(gè)組合系數(shù)。

由以上公式可以計(jì)算出11個(gè)工況的基本荷載組合，見(jiàn)表2。

表2 11個(gè)工況中主體結(jié)構(gòu)的基本荷載組合 kPa

3 數(shù)值模擬分析

3.1 ANSYS數(shù)值模型

利用ANSYS對(duì)本車(chē)站進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬計(jì)算，首先采用荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行建模。利用Link10單元來(lái)代替地基反力，并設(shè)定該單元僅受壓，計(jì)算中不考慮其受拉。另外，由于本模型與荷載組合均為正對(duì)稱(chēng)，理論上中柱處沒(méi)有水平位移，所以在中柱的底端施加一個(gè)水平方向的約束。為了使模型的計(jì)算精度提高，以每個(gè)單元0.5 m進(jìn)行劃分，建模后模型的單元數(shù)為270(其中包括了地基彈簧單元)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為267。

3.2 結(jié)果分析

在11個(gè)工況中，地鐵車(chē)站在基本荷載組合情況下的各部分軸力最大值的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2，各個(gè)工況中各部分彎矩最大值的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3，各個(gè)工況中各部分偏心距變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。在ANSYS計(jì)算中，所得到的彎矩圖與軸力圖均呈正對(duì)稱(chēng)，而剪力圖呈反對(duì)稱(chēng)，此與理論一致。由圖2—圖4可知:

1)在地下水位變化的情況下，地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的最大軸力和最大彎矩出現(xiàn)的位置均沒(méi)有發(fā)生變化。最大軸力發(fā)生在負(fù)二層中柱底部，而最大彎矩發(fā)生在負(fù)二層底板與中柱底部連接處。

2)隨著地下水位的下降，頂板軸力的最大值沒(méi)有太大的變化，基本處于穩(wěn)定狀態(tài);中板軸力的最大值緩慢增加，在工況8之后維持穩(wěn)定;底板軸力的最大值持續(xù)緩慢增大。側(cè)墻的軸力最大值在工況4之前持續(xù)增加，但在工況4之后基本沒(méi)有變化，保持穩(wěn)定。

圖2 軸力最大值的變化趨勢(shì)

圖3 彎矩最大值的變化趨勢(shì)

圖4 偏心距的變化趨勢(shì)

3)隨著地下水位的下降，頂板彎矩的最大值先增大，后保持穩(wěn)定，基本沒(méi)有變化;中板彎矩的最大值基本保持穩(wěn)定，沒(méi)有太大的變化;底板彎矩的最大值先減小，后保持基本穩(wěn)定。側(cè)墻彎矩的最大值在工況8之前緩慢增加，但在工況8之后穩(wěn)定不變。

4)隨著地下水位的下降，頂板的偏心距保持穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的變化;中板的偏心距逐漸增加，特別是在工況8時(shí)，達(dá)到最大峰值，之后在工況9，10，11時(shí)穩(wěn)定平緩，但是總體上，偏心距還是增加了;底板的偏心距緩慢增加。側(cè)墻的偏心距基本保持不變，相對(duì)各部分而言，其偏心距最小。

5)當(dāng)?shù)叵滤辉娇拷邪澹邪宓钠木嗑驮酱?，在工況8時(shí)達(dá)到一個(gè)最大峰值。

4 結(jié)論

采用ANSYS數(shù)值模擬分析在地下水位變化的情況下地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及偏心距的變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)比內(nèi)力與偏心距數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論:

1)隨著地下水位的變化，地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的受力也發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致了內(nèi)力也發(fā)生變化，但是這種變化較為穩(wěn)定。

2)隨著地下水位的變化，軸力和彎矩的波動(dòng)都很小，基本上保持緩慢上升或者平穩(wěn)的趨勢(shì)。但是對(duì)于中板的偏心距而言，其變化較大，產(chǎn)生了一個(gè)較大的峰值。

3)在施工過(guò)程中，由于軸力和彎矩的最大值均發(fā)生在地鐵車(chē)站底層的中柱底部，所以要加大該處的剛度，盡量減小該處的軸力和彎矩。

4)由于軸力與彎矩的變化并不大，所以地下水位的變化對(duì)地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的影響小。

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(責(zé)任審編 趙其文)

U231+.4

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．18

2014-07-10;

:2015-05-18

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964— )，男，山西萬(wàn)榮人，教授。

1003-1995(2015)08-0061-03