地鐵車站端頭井處設(shè)計(jì)研究

蘆 宇 亭

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

地鐵車站端頭井處設(shè)計(jì)研究

蘆 宇 亭

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

結(jié)合哈爾濱地鐵一號線二期某車站案例，利用有限元分析軟件SAP2000建立了端頭井處三維模型，簡要介紹了地鐵主體結(jié)構(gòu)計(jì)算的荷載類型與荷載組合，分析了建模時(shí)需要注意的問題，以求更準(zhǔn)確的模擬地鐵盾構(gòu)井結(jié)構(gòu)在不同工況下的受力狀態(tài)，通過對比二維與三維模型內(nèi)力結(jié)果，對設(shè)計(jì)提出更合理建議。

地鐵，端頭井，設(shè)計(jì)，有限元

0 引言

在地鐵結(jié)構(gòu)中，由于車站為長條形結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段為典型縱向平面受力結(jié)構(gòu)，以平面應(yīng)變?yōu)橹?，故可沿縱向取單位長度進(jìn)行典型斷面結(jié)構(gòu)分析。端頭井作為地鐵區(qū)間隧道施工時(shí)供盾構(gòu)拼裝、拆卸或調(diào)頭的空間，既是盾構(gòu)施工工作井，又是地鐵車站設(shè)備用房的一部分。因此，在施工階段，盾構(gòu)端頭井的頂、中板需預(yù)留盾構(gòu)吊裝孔。大面積開洞將大幅削弱結(jié)構(gòu)的水平剛度，頂、中板無法對側(cè)墻提供支撐，這就要求使用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來平衡側(cè)向水土壓力，在側(cè)墻處設(shè)置壁柱。在樓板開洞處的側(cè)墻位置設(shè)置水平框架梁，與結(jié)構(gòu)的縱梁形成一道環(huán)梁。由于平面框架計(jì)算的方法無法完成端頭井的特殊受力計(jì)算要求，故一般采用有限元軟件進(jìn)行三維建模，如SAP2000，ANSYS等。

1 工程概況

哈爾濱地鐵一號線二期某車站采用鋼筋混凝土雙層雙跨，局部多跨箱形框架結(jié)構(gòu)。為地下2層標(biāo)準(zhǔn)島式車站。車站內(nèi)包尺寸為224.2 m(長)×18.3 m(寬)/22.1 m(盾構(gòu)加寬處)，站臺寬度11.0 m，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層?？垢∷粸?28.5 m。有效站臺中心里程處軌面標(biāo)高為120.545 m，底板埋深約為16.985 m，頂板覆土厚約3.125 m。頂板厚度為0.80 m，中板厚度為0.40 m，底板厚度為1.0 m，側(cè)墻厚度為0.8 m，框架柱b×h=700 mm×1 400 mm，3層板的主要梁截面b×h分別為:1 200 mm×2 000 mm，800 mm×1 000 mm，900 mm×2 200 mm(見圖1～圖3)。

2 計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算模型的選取

模型尺寸需根據(jù)車站結(jié)構(gòu)尺寸，按中心線確定?？紤]標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)與端頭井結(jié)構(gòu)之間的影響，模型包含一跨標(biāo)準(zhǔn)段。計(jì)算長度從端頭井端板起，到相連車站標(biāo)準(zhǔn)段的第一條誘導(dǎo)縫為止，共長23.7 m。

2.2 計(jì)算荷載類型與荷載組合

地鐵車站埋于地下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間、結(jié)構(gòu)與土體間共同作用，荷載種類繁多，是一個(gè)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)體系。

1)永久荷載。

結(jié)構(gòu)自重由軟件自身計(jì)算。土側(cè)壓力:施工階段，主、被動(dòng)土壓力按朗肯土壓力公式計(jì)算側(cè)向土壓力，使用階段按靜止土壓力計(jì)算(見圖4)。頂板覆土，容重γ=19.5 kN/m3。設(shè)備荷載:大型設(shè)備荷載按實(shí)際取值，其值不小于8.0 kPa。水側(cè)壓力由其抗浮水位決定(見圖5)。

2)可變荷載。

路面超載：q=30 kN/m2；人群活載：q=4 kN/m2；施工荷載：q=20 kN/m2。

3)偶然荷載。

按地震設(shè)防烈度6度計(jì)算其地震作用。人防荷載按六級人防進(jìn)行考慮，僅用于驗(yàn)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，未計(jì)入結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)中。

4)荷載組合見表1。

車站主體結(jié)構(gòu)計(jì)算按底板作用在彈性地基上的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。通過計(jì)算分析可知，地震和人防工況不起控制作用，組合1基本組合為最不利組合，直接組合1的內(nèi)力包絡(luò)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)。

表1 荷載組合表

2.3 荷載工況

施工階段。頂、中板設(shè)盾構(gòu)吊裝孔。這個(gè)階段，只考慮的是自重工況。主要是橫框架，側(cè)墻，端墻的受力分析，荷載主要考慮地面堆載、側(cè)壁堆載、土側(cè)壓力、施工荷載，共四種荷載。

使用階段。分自重工況與水反力工況兩個(gè)受力工況進(jìn)行計(jì)算，主要分析頂、中、底三層板以及相應(yīng)梁柱的受力狀況。

自重工況：考慮的是結(jié)構(gòu)在重力方向的最不利狀態(tài)。因此，考慮的荷載有以下幾種：在使用階段，由于頂、中板的盾構(gòu)吊裝孔封閉，頂板將承受覆土荷載以及地面超載；中板承受設(shè)備荷載；側(cè)壁水、土壓力；側(cè)壁超載，共六種荷載。

水反力工況：考慮在水反力作用下的端頭井內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力最不利狀態(tài)。因此，考慮的荷載有以下幾種：頂板覆土荷載；側(cè)壁水壓力；側(cè)壁土壓力；底板水反力，共四種荷載。

3 端頭井計(jì)算

該車站采用SAP2000v15.1進(jìn)行三維空間有限元分析。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖6。

計(jì)算時(shí)需要注意的問題：

三維模型由框架單元和面單元組合而成。梁和柱采用框架單元，結(jié)構(gòu)頂、中、底板及側(cè)壁采用Shell單元。布置梁單元的時(shí)候，要考慮到梁實(shí)際的偏心情況，在建模中需要對梁的抗彎剛度進(jìn)行修正。

由于梁、板、柱和墻單元節(jié)點(diǎn)在相同位置處以共節(jié)點(diǎn)的方式來反映各構(gòu)件的共同作用變形。在按四邊形和三角形有限元?jiǎng)澐值臅r(shí)候要注意節(jié)點(diǎn)的耦合。

結(jié)構(gòu)計(jì)算模型支承在彈性地基上，基底用土彈簧模擬。二維平面框架采用只能受壓不能受拉的單向彈簧(Gap單元)進(jìn)行連接。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。三維模型與土接觸的面采用單向受壓的面彈簧(Area Springs單元)。彈簧系數(shù)的大小由地質(zhì)報(bào)告加以確定。本計(jì)算中采用26 000 kN/m3。

本站端頭井側(cè)墻處開設(shè)大面積洞口，連接風(fēng)亭與主體結(jié)構(gòu)，在建模過程中需要將洞口周邊的點(diǎn)加以U2方向的約束。端頭井與標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)連接處添加繞橫軸的轉(zhuǎn)動(dòng)約束R2和縱軸向位移約束U2(見圖6)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

本文建立了端頭井處施工工況及使用工況的三維模型，端頭井1—1，2—2處橫框架平面模型(平面位置如圖2所示)，端頭井處縱框架平面模型。通過對比三維與二維模型輸出的內(nèi)力得到以下結(jié)論：

1)對于板與墻，對比施工階段工況與使用階段工況下的內(nèi)力云圖，在使用階段的內(nèi)力起控制作用。在施工階段，由于有降水要求，側(cè)壁與底板少了水壓力的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力大幅減少。結(jié)構(gòu)底板的板柱節(jié)點(diǎn)位置，使用工況下的M11方向彎矩比施工工況下的M11方向彎矩大39.7%。底板與側(cè)墻相交處使用工況的內(nèi)力達(dá)到施工工況下內(nèi)力的7倍(如圖7，圖8所示)。

2)車站端頭井的側(cè)墻，采用空間三維模型分析，墻體所受彎矩的分布規(guī)律同平面二維模型計(jì)算結(jié)果比較一致，三維模型墻體彎矩絕對值最大值為668 kN·m，二維模型彎矩絕對值最大值為1 104 kN·m，相差39.5%(如圖9，圖10所示)。

3)從三維框架所受的內(nèi)力可以得知，水平框架梁不僅承受彎矩和剪力，還承受比較大的軸力和扭矩。如第二層框架梁，其軸力可以達(dá)到1 905 kN，扭矩為572 kN·m。而平面二維縱框架模型是基于平面二維橫框架模型的內(nèi)力結(jié)果按導(dǎo)荷方式進(jìn)行輸入計(jì)算的，只能輸出彎矩和剪力值，與實(shí)際受力情況大有不同。與二維框架內(nèi)力相比，三維框架輸出的內(nèi)力要遠(yuǎn)小于二維。這表明相對于平面二維模型而言，三維模型更符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合三維模型來進(jìn)行受力分析(如圖11，圖12所示)。

4)從三維模型的內(nèi)力輸出云圖可以看出，風(fēng)亭開口處、板柱節(jié)點(diǎn)處和板墻交線處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。而二維平面簡化模型未考慮大洞口且忽略了構(gòu)件整體協(xié)調(diào)變形等條件。應(yīng)根據(jù)三維模型在應(yīng)力集中區(qū)域加強(qiáng)配筋(如圖9所示)。

5 結(jié)語

端頭井的計(jì)算分析結(jié)果表明，對于這種復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，二維平面模型與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)出入較大。為了保證結(jié)構(gòu)安全可靠，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對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。

[1] 陶 勇，鄭俊杰，樓曉明.地鐵端頭井的設(shè)計(jì)計(jì)算方法探討[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版)，2005(1)：31-32.

[2] 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)：92-93.

[3] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].第2版.北京：人民交通出版社，2001.

[4] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

Design of subway station at the end well

Lu Yuting

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150000,China)

The three-dimensional model of the work well is built by using the finite element analysis software SAP2000 for a station to be constructed in the second phase of the rail transit line of Harbin. The types of the load and the load combinations of the calculation for the main structure of the metro station are briefly introduced. The issues that need attention are analyzed in order to simulate the stress state of the main structure of the metro station work well more accurately under different working conditions. By comparing the results of the two-dimensional and the three-dimensional model of the internal forces, the proposals is put forward more reasonably for the design.

metro, work well, design, finite element

2015-01-28

蘆宇亭(1990- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)10-0034-03

TU318

A