地鐵車站重合結(jié)構(gòu)模型計(jì)算探究

韓 寧 朱啟東

(1.陜西省建筑材料工業(yè)學(xué)校，陜西 西安 710061； 2.中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

地鐵車站重合結(jié)構(gòu)模型計(jì)算探究

韓 寧1朱啟東2

(1.陜西省建筑材料工業(yè)學(xué)校，陜西 西安 710061； 2.中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

根據(jù)地鐵車站重合結(jié)構(gòu)模型受力特點(diǎn)，結(jié)合西安地區(qū)黃土地層條件下地鐵工程設(shè)計(jì)實(shí)例，分別對施工階段和正常使用階段最不利荷載工況條件下車站主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行了研究，主要以彎矩為例對各不利工況下內(nèi)力變化規(guī)律進(jìn)行了分析總結(jié)，最后對圍護(hù)結(jié)構(gòu)參與主體結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)的貢獻(xiàn)程度作了比較分析，可供類似工程參考。

地鐵車站，重合結(jié)構(gòu)模型，荷載工況，內(nèi)力，貢獻(xiàn)度

目前，在西安地區(qū)黃土地層中，圍護(hù)樁與車站主體結(jié)構(gòu)形成的重合結(jié)構(gòu)是地鐵工程主要采用的結(jié)構(gòu)形式。通常地鐵車站的標(biāo)準(zhǔn)段計(jì)算就選用桿系平面模型，地下結(jié)構(gòu)應(yīng)按施工階段和正常使用階段的最不利荷載工況組合分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算。本文主要對地鐵車站重合結(jié)構(gòu)各種最不利荷載工況計(jì)算進(jìn)行了研究，并對有無圍護(hù)樁條件下主體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行了分析研究。

1 平面桿系模型介紹

在地鐵車站結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算時(shí)，對于地下車站結(jié)構(gòu)沿縱向質(zhì)量及剛度分布均勻，并且邊界條件規(guī)律、均勻分布情況下，通常對于這樣的標(biāo)準(zhǔn)段計(jì)算我們可選用平面桿系模型。平面桿系模型是將地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段沿縱向截取單位長度來建立荷載—結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，板、柱、墻由梁單元來模擬，彈簧單元模擬土體，內(nèi)力計(jì)算是按有限元法進(jìn)行，最終結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)圖可根據(jù)不同工況下的荷載組合得到。

實(shí)際工程中，主體結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間通常會存在防水層，防水材料將兩結(jié)構(gòu)隔開，這樣拉力、剪力都無法在兩結(jié)構(gòu)間傳遞，只會傳遞壓力。因此，重合結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與外墻之間由兩端鉸接連桿模擬，只傳遞壓力，不能傳遞彎矩和剪力。

2 靜力計(jì)算的最不利荷載工況

通常地鐵車站結(jié)構(gòu)應(yīng)按施工階段和正常使用階段的最不利荷載工況組合分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算。因此，下面分別介紹兩個(gè)工況下的最不利組合。

2.1 施工階段工況

在西安地鐵施工中通常會選用鉆孔灌注樁配合地面旋噴樁這樣的支護(hù)形式隔斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，坑內(nèi)降水措施來減少對周邊環(huán)境的影響。

在地鐵車站施工階段，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)澆筑完畢頂板覆土，此時(shí)由于底板降水還未停止，地下水位還沒有恢復(fù)到自然水頭，此種情況下定義為施工階段工況。外荷載包括水土側(cè)壓力(作用于圍護(hù)樁外側(cè))、結(jié)構(gòu)及覆土自重、超載、底板下土體豎向抗力，不考慮底板水反力。施工階段工況分為低水位和高水位兩種工況(見圖1)。

2.2 使用階段工況

隨著車站投入正常運(yùn)營，地面道路恢復(fù)，車站底板降水的停止，基坑內(nèi)水頭恢復(fù)，此種情況下定義為使用階段工況。外荷載包括水土側(cè)壓力(土壓力作用于圍護(hù)樁外側(cè)，水壓力作用于車站側(cè)墻)、結(jié)構(gòu)及覆土自重、底板下作用水反力，同時(shí)考慮地面超載和樓板活載。使用階段工況也可分為低水位和高水位兩種工況(見圖2)。

3 工程實(shí)例

現(xiàn)以西安地鐵三號線延興門站為例進(jìn)行建模計(jì)算，該站為標(biāo)準(zhǔn)地下2層車站，施工階段采用鉆孔灌注樁配合地面旋噴樁的支護(hù)形式坑內(nèi)降水，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.0 m，圍護(hù)樁直徑為1 200@1 500 mm，頂板厚800 mm，中板厚400 mm，底板厚900 mm，側(cè)墻厚700 mm(見圖3)。

由延興門站詳勘報(bào)告知，低水位取地面以下4.5 m，高水位按抗浮水位考慮，取至地面。計(jì)算中地層物性參數(shù)取值參考表1。

考慮到篇幅問題，各工況內(nèi)力計(jì)算結(jié)果就不一一列舉，僅列舉施工階段工況和使用階段工況下彎矩、軸力計(jì)算結(jié)果，來說明車站主體結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)情況。車站平面桿系模型彎矩計(jì)算結(jié)果示意圖如圖4所示，各工況下彎矩計(jì)算值見表2，各工況下的中間立柱軸力見表3。

表1 地層土性參數(shù)表

表2 各荷載工況下的彎矩值 kN·m

表3 各工況下的中間立柱軸力 kN

由表2，表3可知:1)本車站施工階段低水位工況下對頂板跨中、中板跨中和底板中支座的彎矩起控制作用。2)本車站使用階段低水位工況下，對主體結(jié)構(gòu)彎矩不起控制作用。3)使用階段高水位工況控制中間立柱的最大軸力。

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度研究

現(xiàn)今，地鐵車站主體結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)是符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年的要求，而圍護(hù)樁是作為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)考慮。因此，在建模計(jì)算時(shí)為了保守起見，通常可不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)，側(cè)向的水、土壓力全部由主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻承擔(dān)。那么，考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和不考慮模型主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力到底有何區(qū)別，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力有多少貢獻(xiàn)，針對上述兩種情況，同樣以彎矩計(jì)算結(jié)果為例，說明主體結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，兩種情況下的荷載效應(yīng)情況，如表4所示。

表4 主體結(jié)構(gòu)截面彎矩值

由表4可見，在考慮和不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩種計(jì)算模型情況下，圍護(hù)樁對主體結(jié)構(gòu)右側(cè)墻頂支座A1、右側(cè)墻底支座C1彎矩計(jì)算值貢獻(xiàn)度分別僅為0.7%和3.9%，可見對彎矩值影響很小，可忽略不計(jì)；而對主體結(jié)構(gòu)右側(cè)墻中支座B1、右下二層側(cè)墻跨中D2彎矩計(jì)算值貢獻(xiàn)度分別為18.5%和18.2%，可見對此位置彎矩值影響很大。由表4中兩種計(jì)算模型下的彎矩值可見，其彎矩值差的絕對值是在100 kN·m以內(nèi)的，相對于我們地下車站較厚的側(cè)墻(700 mm～800 mm)來說變化影響較小，所以對實(shí)際的配筋計(jì)算影響也不甚明顯。因此，模型計(jì)算時(shí)考慮圍護(hù)樁與否對主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力值有影響，圍護(hù)樁對側(cè)墻中支座及側(cè)墻跨中彎矩值的貢獻(xiàn)度較大，但兩種模型內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對實(shí)際配筋影響不明顯。同時(shí)，建議在以后設(shè)計(jì)中，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為永久結(jié)構(gòu)考慮，耐久性設(shè)計(jì)時(shí)可通過提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)號來實(shí)現(xiàn)，這樣我們選擇考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型是較為合理經(jīng)濟(jì)的，也使我們的計(jì)算模型能夠和現(xiàn)實(shí)情況較好的統(tǒng)一。

5 結(jié)語

地鐵車站重合結(jié)構(gòu)最不利工況的計(jì)算分析是確保車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的必要條件，因此車站結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)最不利荷載工況的正確選取至關(guān)重要。本文結(jié)合西安地鐵工程實(shí)例，對地鐵車站重合結(jié)構(gòu)施工、使用期間的各種不利荷載工況計(jì)算進(jìn)行了分析，同時(shí)對考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)與否兩種模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析，提出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)參與計(jì)算時(shí)對內(nèi)力的貢獻(xiàn)程度，旨在使此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析更加合理、經(jīng)濟(jì)、可靠。

[1] GB 50175—2003，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3] 施仲衡，張 彌，王新杰，等.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

[4] 賈 蓬，劉維寧.地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平面簡化計(jì)算方法中存在問題的探討[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2004(sup):393-398.

[5] 代 坤.明挖地鐵車站空間計(jì)算模型與平面計(jì)算模型的對比分析[J].隧道建設(shè),2010,30(S1):254-258.

The computation discussion on metro station coincidence structure model

Han Ning1Zhu Qidong2

(1.ShaanxiBuildingMaterialsIndustrySchool,Xi’an710061,China;2.ChinaRailwayXi’anSurveyandDesignInstituteLimitedLiabilityCompany,Xi’an710054,China)

According to the stress characteristics of metro station coincidence structure model, combining with the subway engineering design example in Xi’an area under loess strata conditions, respectively researched the station main structure internal force under most unfavorable load working conditions to construction stage and normal use stage, mainly taking the bending moment as an example analyzed and summarized the internal force variation rule under unfavorable working conditions, finally compared and analyzed the contribution degree of envelop enclosure involved in main structure calculation, provided reference for similar engineering.

metro station, coincidence structure model, load working condition, internal force, contribution degree

2015-01-09

韓 寧(1984- )，女，碩士，助教； 朱啟東(1983- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)08-0063-02

U291

A