地鐵車站端頭井計(jì)算分析

姜立任

1 工程概況

某地鐵車站為地下二層13m島式站臺(tái)，雙層三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，有效站臺(tái)長(zhǎng)120m，標(biāo)準(zhǔn)段總凈寬21.7m，車站總凈長(zhǎng)485.610m，主體結(jié)構(gòu)頂板覆土約3.50m，車站標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度約為18.2m，端頭井開挖深度約為20.7m，基坑底板主要位于砂質(zhì)粉土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土中。圍護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段和端頭井分別采用800mm厚、1000mm厚地下連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段和端頭井內(nèi)襯墻厚分別為700mm和800mm，復(fù)合墻結(jié)構(gòu)。本車站小里程端為盾構(gòu)始發(fā)端，大里程端為盾構(gòu)接收端。

2 荷載計(jì)算

取左邊小里程處端頭井進(jìn)行計(jì)算，采用自重工況和水反工況分別計(jì)算配筋；主要考慮頂板覆土荷載、各層板自重、車輛荷載、吊頂荷載、地面超載、設(shè)備荷載、樓面活荷載、隔墻及裝修荷載、水反力荷載、地震荷載以及人防荷載等，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009－2012）各項(xiàng)組合分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行荷載組合，荷載計(jì)算結(jié)果如下。

圖1 重力工況計(jì)算簡(jiǎn)圖

3 模型建立及內(nèi)力計(jì)算分析

圖2 水反力工況計(jì)算簡(jiǎn)圖

車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，計(jì)算按照平面應(yīng)變假設(shè)，采用荷載—結(jié)構(gòu)模式，計(jì)算軟件采用通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件SAP2000進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)結(jié)構(gòu)所處地層，邊界采用彈性地層模式。結(jié)構(gòu)按施工過程采用“增量法”進(jìn)行受力分析，開挖期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為支擋結(jié)構(gòu)，承受全部的水土壓力及路面荷載，使用階段和主體結(jié)構(gòu)一起承載。施工階段受力分析模擬了施工過程，遵循“先變位，后支撐”的原則，在計(jì)算中計(jì)入結(jié)構(gòu)的先期位移值及支撐變形，采用彈性有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，地基對(duì)結(jié)構(gòu)的作用采用分布水土壓力及一系列不能受拉的彈簧進(jìn)行模擬，最終的位移及內(nèi)力值為各階段累加值。使用階段將結(jié)構(gòu)視為底板置于彈性地基上的平面框架進(jìn)行分析。施工階段驗(yàn)算時(shí)，土荷載應(yīng)采用主動(dòng)土壓力，水土分算。根據(jù)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范6度區(qū)地下建筑物不考慮地震計(jì)算，同時(shí)通過其他類似工程的比較，有一定覆土的小跨度地下建筑物不考慮地震作用組合；本工程不考慮地震作用。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)使用年限為100年；結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)：頂板、底板、側(cè)墻采用C35、P8，中板采用C35，柱采用C50，鋼筋均采用HRB400級(jí)鋼筋，頂板、側(cè)墻、底板鋼筋凈保護(hù)層厚度外側(cè)45mm，內(nèi)側(cè)35mm，樓板受力鋼筋凈保護(hù)層厚度為30mm，主梁鋼筋凈保護(hù)層厚度為45mm，柱受力鋼筋凈保護(hù)層厚度為40mm。具體模型及計(jì)算結(jié)果如下。

4 配筋結(jié)果對(duì)比

在荷載取值一致、荷載工況組合等一樣情況下，通過SAP2000分別進(jìn)行二維、三維計(jì)算，分別讀取頂板、底板、中板計(jì)算結(jié)果彎矩進(jìn)行配筋分析，具體如下：

圖3 二維計(jì)算模型

圖4 三維計(jì)算模型

圖5 二維計(jì)算結(jié)果

（1）二維計(jì)算結(jié)果如表1。

（2）三維計(jì)算結(jié)果如表2。

表1、表2結(jié)果均采用準(zhǔn)永久組合彎矩包絡(luò)情況下的板截面裂縫寬度驗(yàn)算。

5 結(jié)論

圖6 三維計(jì)算結(jié)果

表1

表2

二維縱向鋼筋根據(jù)板厚最小配筋率及構(gòu)造要求去配置，則二維與三維在中板配筋結(jié)果差別不大，頂板配筋稍有差別，但底板配筋結(jié)果差別較大，通過對(duì)車站端頭井進(jìn)行二維、三維計(jì)算分析結(jié)果表明，地鐵車站盾構(gòu)端頭井受力具有明顯空間特征，梁、板、墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力復(fù)雜，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，采用三維空間模型計(jì)算分析，可避免由于平面簡(jiǎn)化模型對(duì)板側(cè)向剛度的不合理假定而造成的計(jì)算失真現(xiàn)象，更經(jīng)濟(jì)、更合理，因此，對(duì)地鐵車站盾構(gòu)端頭井設(shè)計(jì)采用三維有限元分析計(jì)算更符合其受力特征，建議以后地鐵車站盾構(gòu)端頭井均采用三維有限元計(jì)算分析。

[1]黎鉅宏，盛建龍，鄧靜，王淇.地鐵車站端頭盾構(gòu)井的空間分析.都市快軌交通，2013，26（6）：73～77.

[2]李銘軍.地鐵車站端頭井內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算.地下工程與隧道，2006（2）：53～54.

[3]《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009－2012）.