基于SAP2000的地鐵車站結(jié)構(gòu)二維計算優(yōu)化設(shè)計探討

冉冬琴劉科成

（中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司　天津　300133）

基于SAP2000的地鐵車站結(jié)構(gòu)二維計算優(yōu)化設(shè)計探討

冉冬琴劉科成

（中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司天津300133）

針對某地鐵車站，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求及實際設(shè)計經(jīng)驗，運用SAP2000有限元結(jié)構(gòu)分析程序，對主體結(jié)構(gòu)設(shè)計計算過程中遇到的常見關(guān)鍵點進行了對比計算分析，結(jié)果表明：為了盡量接近結(jié)構(gòu)實際的受力模式，提高工程建設(shè)的經(jīng)濟性，必須考慮構(gòu)件連接處的加腋、剛域以及軸力的影響。

地鐵車站；結(jié)構(gòu)計算；優(yōu)化設(shè)計；SAP2000

前言

由于使用功能的要求，大多數(shù)車站設(shè)計成沿橫向二～四跨、縱向為多跨的長條結(jié)構(gòu)，沿高度大多分二～三層，結(jié)構(gòu)內(nèi)部只設(shè)縱梁不設(shè)橫梁，或局部設(shè)有高度受到嚴(yán)格限制的橫梁。為抵抗水土壓力、車輛荷載以及特殊荷載，結(jié)構(gòu)的頂板、底板、邊墻往往都較厚，頂梁、底梁的截面高度也很大，中間樓板由于要承受較大的設(shè)備荷載、人群荷載及裝修荷載，其厚度也比一般的樓板厚許多，這樣就形成一座有巨大剛度的地下長條結(jié)構(gòu)。

計算時，計算模型的正確合理性，決定了結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟性。本文結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求及實際設(shè)計經(jīng)驗，對主體結(jié)構(gòu)設(shè)計計算過程中遇到的常見關(guān)鍵點，結(jié)合具體工程進行了對比計算和分析，結(jié)果表明：考慮構(gòu)件連接處的加腋、剛域以及軸力的影響，比較符合結(jié)構(gòu)實際的受力模式，能夠極大地減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的含鋼量，在滿足安全的同時，增加經(jīng)濟性。

1　工程概況

某車站為地下三層島式站臺，主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)型式為單柱雙跨矩形框架結(jié)構(gòu)，橫向凈跨22.5m；主體結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工，主基坑開挖深度約20.3m，圍護結(jié)構(gòu)選用1200mm地下連續(xù)墻，嵌固深度為20m。

2　計算條件

覆土厚度取3m；地下水位按最不利水位考慮，取至地面；靜止側(cè)壓力系數(shù)加權(quán)值取0.5。主體圍護墻參與計算時，剛度折減到原來的50%。主體結(jié)構(gòu)柱為軸心受壓構(gòu)件，按受壓剛度相等換算成每延米的薄壁墻截面。

3　計算模型及基本假定

對于地鐵多跨車站，由于采用了縱梁、立柱體系（非中隔墻），各層板的內(nèi)力和變形不符合平面應(yīng)變假設(shè)。柱上板帶處縱梁撓度接近于柱的壓縮量，受力特性接近單向板；而縱梁跨中的板帶，由于縱梁撓度相對較大，不僅能產(chǎn)生橫向撓度，也能產(chǎn)生縱向撓度，其受力特性接近雙向板。

中柱剛度的簡化方法，一般將單根柱子的壓縮剛度除以縱向柱跨，作為平面模型中柱剛度，此時要注意釋放掉中柱與板交接處轉(zhuǎn)動自由度，只耦合平動自由度，否則可能會導(dǎo)致板的彎矩和轉(zhuǎn)動變形傳遞一部分給中柱。這種簡化模式計算出來的中柱壓縮變形量與空間模型中柱子對應(yīng)斷面處的柱子壓縮變形是一致的（即板在柱位置處的撓度是一致的），在忽略板縱向撓度帶來的雙向板效應(yīng)的情況下，此模型的計算結(jié)果可以近似為柱上板帶的結(jié)果。

計算軟件采用有限元計算軟件SAP2000，結(jié)構(gòu)采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，沿車站縱向取單位長度按底板支承在有限彈性地基上的平面框架進行分析，將三維空間結(jié)構(gòu)簡化成二維平面框架結(jié)構(gòu)，按結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析模型，進行各階段不同荷載組合內(nèi)力分析，計算圖式見圖1。

圖1　主體結(jié)構(gòu)計算簡圖

基本假定：

（1）地鐵車站主體結(jié)構(gòu)計算時，假定構(gòu)件在彈性階段工作，很少考慮構(gòu)件進入塑性階段工作。彈性分析為最基本和最成熟的結(jié)構(gòu)分析方法，特別適用于承載力和裂縫驗算，同時彈性分析的結(jié)果簡易實用，承載力設(shè)計偏于安全。

（2）構(gòu)件間連接的簡化為剛接、鉸接等。現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)和裝配式整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點可視為剛接，非整體澆筑的次梁及板跨兩端可近似為鉸接。計算跨度、高度按支撐中心距或凈距確定，并根據(jù)連接剛度或支撐反力的位置修正。桿件間連接剛度較大時，在計算模型中可作為剛域處理，如縱梁和中板相接處，頂?shù)装搴蛡?cè)墻相接處。

（3）假定構(gòu)件為小變形彈性梁，離散為足夠多個等厚度直桿梁單元。

（4）用布置于各節(jié)點上的彈簧單元來模擬圍巖與墻的相互約束；假定彈簧不承受拉力，即不計圍巖墻間的粘結(jié)力；彈簧受壓時的反力即為圍巖對墻的彈性抗力。用GAP單元模擬連續(xù)墻與側(cè)墻之間水平力傳遞。

4　主要荷載及荷載組合

（1）結(jié)構(gòu)自重：結(jié)構(gòu)自身重量產(chǎn)生的沿構(gòu)件軸線均勻分布的豎向荷載，一般可由計算程序自動計算?；炷翗?gòu)件按γ=25kN/m3考慮。

（2）地層壓力：車站上覆土層為3m，計算截面以上全部土柱重量作為垂直荷載，取覆土重度γ=20kN/m3。對于使用階段，結(jié)構(gòu)承受的水平力按靜止土壓力計算。對于砂性土，采用水土分算；對于粘性土，采用水土合算。

（3）地基反力：對于明挖車站地基反力的大小和分布規(guī)律，采用文克爾假定，根據(jù)所采用的計算簡圖在計算中以彈簧模擬地基反力，將車站底板按彈性地基梁考慮。彈簧剛度KC取單位面積上的地基垂直抗力系數(shù)K。

（4）設(shè)備荷載：設(shè)備區(qū)按8kN/m2計算，對個別超重設(shè)備考慮其運輸路徑對結(jié)構(gòu)的影響。

（5）地面超載：地面超載按20kN/m2計算。

（6）地鐵車輛荷載：列車荷載取20kN/m2計算。

（7）站內(nèi)人群荷載：站臺、站廳、樓梯、車站管理人員用房等部位的人群荷載按4kN/m2計。

（8）人防荷載：抗力級別為6級，動力系數(shù)取2.0，直接作用在門框墻上的沖擊波超壓的等效靜荷載取100kPa，作用在門扇上的沖擊波超壓等效靜荷載取75kPa，構(gòu)件計算按《人民防空地下室設(shè)計規(guī)范》（GB50038-2005）的有關(guān)規(guī)定計算。

表1　荷載組合表

5　計算分析

由于計算模型的建立一般取構(gòu)件中心線或者中心面，構(gòu)件支座處的內(nèi)力計算結(jié)果一般較大，而支座處柱子和支撐墻范圍內(nèi)可以視為無限高的梁高，故一般可將支座處的內(nèi)力削峰至柱邊或墻邊。對于有限元計算模型，柱邊或墻邊的內(nèi)力可以直接從軟件上提取。對于手動計算構(gòu)件的彎矩可以通過公式M=M0-V×B/ 2+P/2×（B/2）2進行削峰，M為構(gòu)件彎矩，M0為構(gòu)件中心點彎矩，V為剪力，B為支座寬度，P為線荷載。圖2、圖3分別為基本組合下不考慮剛域彎矩圖和剪力圖。圖4、圖5分別為基本組合下考慮剛域彎矩圖和剪力圖。

圖2　不考慮剛域彎矩包絡(luò)圖

從計算結(jié)果可以看出：

（1）在正常使用階段，頂板彎矩、剪力在中支座處達到最大值；底板在板端處達到最大值，靠近底板的側(cè)墻下部也有較大的彎矩和剪力。因此，針對這些部位，設(shè)計時要采用合理措施，如考慮板墻連接處結(jié)構(gòu)加腋及剛域/削峰的影響，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）中板最大彎矩較小，尚達不到頂板最大彎矩的20%，但是為了滿足變形協(xié)調(diào)條件，中板厚度不能只取頂板厚度的20%，否則中板撓度會不滿足規(guī)范限值要求。

（3）圍護結(jié)構(gòu)在地下二層范圍內(nèi)有較大的彎矩和剪力，因此，基坑越深，施工風(fēng)險越大。

圖3　不考慮剛域剪力圖

圖4　考慮剛域彎矩包絡(luò)圖

圖5　考慮剛域剪力圖

表2　削峰前后結(jié)構(gòu)配筋計算表

6　結(jié)語

本文以某地鐵車站為計算實例，分析了地鐵車站結(jié)構(gòu)荷載取值、結(jié)構(gòu)計算等問題，并利用有限元計算程序，分析了主體結(jié)構(gòu)設(shè)計計算過程中遇到的常見關(guān)鍵點，結(jié)合具體工程進行了對比計算和分析，結(jié)果表明：

（1）頂、底板在板端和中支座處有較大的彎矩和剪力，針對這些部位，設(shè)計時要采用合理措施，如考慮板墻連接處結(jié)構(gòu)加腋及剛域的影響，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）中板承受彎矩較小，可以采用較小的厚度。但是為了滿足變形協(xié)調(diào)條件，中板厚度不能太薄，否則中板撓度會不滿足規(guī)范限值要求。

（3）為接近結(jié)構(gòu)實際的受力模式，極大地減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的含鋼量，需要考慮構(gòu)件連接處的加腋、剛域以及軸力的影響。

[1]《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157-2013）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]陳冬，王琪.地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2007（5）：52.

[4]羅旭.地鐵車站各設(shè)計狀況的結(jié)構(gòu)分析[J].都市快軌交通，2012，4（25）.

[5]伊興芳，張春雷.城市地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].甘肅科技，2009，1（25）.

U231

A

1673-0038（2015）30-0299-03

2015-7-12

冉冬琴（1988-），女，助理工程師，碩士，2010年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，巖土工程專業(yè)，主要從事城市軌道交通設(shè)計、地下隧道設(shè)計工作。