地鐵車站密肋空心頂板分析研究

李琪　李盛　王尹鶴

摘要：在地鐵車站建設中車站主體結構主要以鋼筋混凝土實體框架結構為主，該結構混凝土和鋼筋用量多，自重大，造價較高，為了減少混凝土用量和自重，通過數值模擬，將車站頂板由實心板改為密肋空心板進行分析，研究了更換頂板后頂板的受力情況，以及配筋能否通過。結果表明，更換頂板后頂板彎矩變化不大，抗彎抗剪也能滿足規(guī)范要求。建議密肋空心板可適用于地鐵車站頂板中。

Abstract： In the construction of metro stations， the main structure of the station is mainly reinforced concrete solid frame structure. The concrete and steel bars are used in large quantities， which are self-important and costly. In order to reduce the concrete dosage and self-weight， the station roof is numerically simulated. The solid plate was changed to the ribbed hollow plate for analysis， and the force of the top plate after the replacement of the top plate and whether the reinforcement was able to pass are studied. The results show that the bending moment of the top plate does not change much after the replacement of the top plate， and the bending and shear resistance can also meet the requirements of the specification. It is recommended that the ribbed hollow slabs can use in the roof of a metro station.

關鍵詞：密肋空心板;地鐵車站主體框架;配筋

Key words： ribbed hollow slab;main frame of subway station;reinforcement

中圖分類號：TU755? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）33-0268-04

0? 引言

近年來，隨著我國經濟的快速發(fā)展，地鐵在人口密度大、交通堵塞的城市得到了廣泛應用。而我國的地鐵建設工程中，地鐵車站主體結構主要以鋼筋混凝土實體框架結構為主，該結構混凝土和鋼筋用量多，自重大，造價較高。因此，對車站主體結構優(yōu)化的研究具有一定的實際意義。

空心樓蓋的相關研究分析和工程應用從二十世紀九十年代在我國逐漸興起，這種樓蓋可以降低樓蓋自重及減少混凝土的用量，因此具有很輕的經濟性能。國內外學者主要針對空心樓蓋方面進行了研究。F.Simons[1]對矩形空心進行研究，驗證其具有良好的雙向傳力性能。 G.Elliott 通過對環(huán)氧樹脂制作的實心板和圓孔空心板兩種板材模型進行彈性試驗[2]，得出二者的剛度系數近似計算公式，并且通過有限元分析進行驗證結果良好吻合。Teng、Steven等[3-5]設計了三組預應力空心板試件進行加載，試件的破壞形式、變形、荷載-應變關系等數據，并與相關標準中類似規(guī)定取值進行比對。沈巧智等[6-8]根據現場試驗條件及實驗過程和所采集數據，使用有限元軟件對組合空心樓蓋實際使用狀態(tài)下受力變形性能進行靜力分析。沈麗萍[9]等設計了鋼筋混凝土雙向密肋樓蓋在均布荷載作用下的試驗，得到了樓蓋承載能力、撓度以及各級荷載作用下的最大裂縫寬度等數據，試驗結果與理論值較吻和。譚貴福[10]就新型裝配整體式雙向密肋空心樓蓋受力性能進行了研究，并且強調了密肋空心樓蓋具有更好的經濟性能。這些研究成果已經在實際工程中取得廣泛應用，然而，密肋空心板在地鐵車站主體結構上應用的研究較少，因此有必要對此方面進行研究。

1? 項目概況

本項目結合民用建筑結構中密肋空心板結構形式及理論方法，提出在地鐵車站主體結構設計中引入密肋空心板結構，取代目前的實體框架構造，優(yōu)化結構設計。

密肋空心板結構，去掉了中性軸附近的混凝土，板剛度減小且不影響結構的承載力，可提高結構抗震性能、減小混凝土及鋼筋用量、降低工程造價。但應用到車站時，結構荷載類型及大小、傳力體系、板厚、構造要求等均與民用建筑有所不同，地鐵密肋空心板設計尺寸、結構內力、變形及裂縫寬度控制、配筋及抗剪強度等需結合地鐵車站結構的受力特性進行系統(tǒng)的研究。項目先期選取車站結構頂板作為研究對象，擬通過理論分析、數值模擬和試驗進行研究，以解決上述問題。

根據蘭州市城市軌道交通1號線一期工程西關什字站車站計算書[11]，以此車站為基準進行分析，車站結構標準段結構形式為地下三層雙柱三跨框架結構，該計算書中采用MIDAS建立框架結構，對框架整體抗彎、抗剪以及裂縫寬度進行了驗算。本論文選取車站標準斷面28-29軸為研究對象，將車站框架的頂板由實心板更換成空心板。

頂板厚 800mm，中板厚 400mm，底板厚 1000mm。頂、中、底板與內襯墻支座處均設斜托局部加厚。

2? 密肋空心頂板研究

2.1 計算基本假定及原則

①假定結構為小變形量彈性梁，結構為離散足夠多個等厚直桿梁單元，因此本文將所有框架寬度定為1m進行研究。

②用布置于各節(jié)點上的彈簧單元來模擬圍巖與車站結構的相互約束;假定彈簧不承受拉力，即不計圍巖與車站結構間的粘結力;彈簧受壓時的反力即為圍巖對車站結構的彈性抗力。

③計算取兩種工況，根據相關規(guī)范選取荷載“基本組合”和“準永久組合”兩種情況進行受力分析。

1）基本組合：覆土荷載+地面超載+側向水土壓力+結構自重+樓層設備荷載+樓層人群荷載+底板水壓力;

2）準永久組合：覆土荷載+地面超載+側向水土壓力+結構自重+樓層設備荷載+樓層人群荷載+底板水壓力。

2.2 計算模型

本文采用ANSYS進行有限元分析，主體框架頂板、中板、底板、墻以及柱子采用梁單元BEAM3單元，底板與地基采用彈簧單元COMBIN14，彈簧下方全約束，如圖2所示。

2.3 材料模型及參數

頂板厚800mm，空心內膜擬采用規(guī)格為900mm×600mm×500mm的薄壁箱體，肋寬150mm，肋間距1050mm。密肋板布置方法為：離墻邊0.1m處開始放置，離柱子1m處結束放置。

①混凝土：頂、底板和側墻混凝土強度等級為 C40，抗?jié)B等級為P10，中板混凝土強度等級為C40，柱混凝土強度等級為C50，素混凝土墊層強度等級為 C20;鋼筋：鋼筋強度等級為HRB400。

②施加荷載與計算書中一致。

1）土壓力。頂板豎向土壓力39kN/m2，頂板位置側向土壓力13.81kN/m2，底板位置側向土壓力92.3kN/m2。

2）水壓力。頂板豎向水壓力15kN/m2，頂板位置側向水壓力15kN/m2，底板位置側向水壓力：230.4kN/m2，底板豎向水壓力：230.4kN/m2。

3）地面超載。豎向地面超載20kN/m2，側向地面超載7.08kN/m2。

4）各層所加荷載。物業(yè)底板樓面荷載：20.4kN/m2，車站中板樓面荷載：25.1kN/m2，車站底板樓面荷載：4kN/m2。

2.4 計算結果分析

圖3和圖4為準永久組合彎矩和剪力圖，由于彎矩和剪力圖對稱，因此只列出一半的數據與原計算書進行比較。

頂板跨中彎矩151.3kN·m，柱子處彎矩385.5kN·m，邊墻處彎矩516.9kN·m。

頂板柱子處左邊剪力329.0kN，柱子處左邊剪力363.7kN，邊墻處剪力393kN。

計算書中數據如下：

頂板跨中彎矩167kN·m，柱子處彎矩390.3kN·m，邊墻處彎矩542.4kN·m。

頂板柱子處左邊剪力319.0kN，柱子處右邊剪力343.4kN，邊墻處剪力391.1kN。

從彎矩對比來看，更換頂板后的跨中彎矩相比邊墻和柱子減少較多，因為跨中位置是空心板，自重減少，彎矩減少較多，靠近邊墻和柱子處仍為實心板，因此彎矩減少較少。

從剪力對比來看，更換頂板后剪力略微增加，這是由于面積空心板相對實心板面積減少。

通過各項數據對比可看出更換空心頂板前后誤差在5%左右，因此可認為將車站實心頂板更換成密肋空心板是合理的。

2.5 抗彎驗算

2.5.1 墻邊截面驗算（配筋圖如圖5-a所示）

密肋空心板截面可等效成工字型截面進行計算。

①計算受壓區(qū)高度x：

（1）

代入數據求得

x？燮？孜b·h0且x<2a′s

②抗彎承載力計算

（2）

代入數據求得

墻邊截面最大彎矩為：

滿足抗彎要求。

2.5.2 柱邊截面驗算（配筋圖如圖5-a所示）

①計算受壓區(qū)高度x

代入公式（1）求得x=47.07mm

x？燮？孜b·h0且x<2a′s

②抗彎承載力計算

代入公式（2）求得

柱邊截面最大彎矩為：

滿足抗彎要求。

2.5.3 跨中截面驗算（配筋圖如圖5-b所示）

①計算受壓區(qū)高度x

代入公式（1）求得x=69.98mm

？孜b·h0=388mm? ? 2a′s=105mm

②抗彎承載力計算

代入公式（2）求得

柱邊截面最大彎矩為：

滿足抗彎要求。

2.6 抗彎驗算

1-1截面：

混凝土抗剪承載力：

（3）

代入數據得V=881kN

，滿足要求。

2-2截面：

混凝土抗剪承載力

，滿足要求。

3-3截面：

混凝土抗剪承載力

，滿足要求。

4-4截面：

混凝土抗剪承載力

，滿足要求。

5-5截面：

混凝土抗剪承載力

，滿足要求。

3? 結論

更換頂板后，頂板彎矩和剪力與更換前變化不大，彎矩相對減少，抗彎抗剪也都滿足相應要求。因此，將密肋空心板應用到地鐵車站頂板中具有一定的可行性。

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