PBA洞樁法地鐵車站結(jié)構(gòu)受力分析

王鈺鑫

摘 要：結(jié)合北京地鐵12號(hào)線人民大學(xué)站車站PBA法（洞樁法）施工實(shí)例，通過MIDAS-GEN有限元建模計(jì)算了地鐵車站結(jié)構(gòu)承載力極限和正常使用極限在不同工況條件下的內(nèi)力結(jié)果，分析了PBA洞樁法車站結(jié)構(gòu)不同工況下的受力狀態(tài)，研究表明：車站結(jié)構(gòu)不同工況下結(jié)構(gòu)的最大受力控制點(diǎn)部位不同，車站結(jié)構(gòu)的實(shí)際配筋狀況一般為裂縫控制。

關(guān)鍵詞：PBA洞樁法;車站結(jié)構(gòu);荷載組合;受力分析

一、工程概況

近年來各大城市交通發(fā)展迅速，在地上交通不足以滿足人們?nèi)粘Ｉ钚枨蟮臓顟B(tài)下加大了對(duì)地下交通的大力發(fā)展，城市軌道交通已在人們的生活中占有不可或缺的地位。地鐵的建設(shè)能大大緩建地面交通擁堵的狀態(tài)，越來越多的新技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到地鐵建設(shè)中。鑒于地鐵施工對(duì)場(chǎng)地空間要求較高，許多地鐵車站工程建設(shè)點(diǎn)已不具備傳統(tǒng)的明挖施工條件，一種新型暗挖技術(shù)PBA洞樁法逐步廣泛的運(yùn)用到地鐵施工中。本文以具體工程為例，采用MIDAS-GEN有限元軟件模擬車站不同工況下的受力狀態(tài)，對(duì)車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。

人民大學(xué)站為北京地鐵12號(hào)線的中間站，為地下兩層分離島式車站，車站有效中心里程處覆土為9.6m，采用PBA暗挖工法施工，每側(cè)為單跨拱頂直墻斷面，單側(cè)斷面高16.3m、寬度13.9m。

二、設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算假定

（一）設(shè)計(jì)參數(shù)

（二）計(jì)算假定

主體結(jié)構(gòu)計(jì)算按照平面應(yīng)變假設(shè)，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，通過MIDAS-GEN結(jié)構(gòu)分析通用程序進(jìn)行內(nèi)力分析。車站縱向取1m寬的結(jié)構(gòu)作為計(jì)算單元，按平面桿系有限元法進(jìn)行計(jì)算。

1、結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全等級(jí)為一級(jí)，相應(yīng)構(gòu)件的重要性系數(shù)γ0取1.1。

2、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)按整體或單個(gè)構(gòu)件可能出現(xiàn)的最不利組合進(jìn)行荷載組合：恒載+活載;不考慮地震、人防等荷載。（設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮有水、無水兩種工況下結(jié)構(gòu)在承載力極限和正常使用極限狀態(tài)下的受力情況。）

三、結(jié)構(gòu)靜力荷載計(jì)算

（一）荷載設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)構(gòu)的荷載模型如下。

按加權(quán)平均原則確定土層參數(shù)。主體結(jié)構(gòu)為單跨拱頂直墻斷面形式，覆土h1=9.6m，寬度b1=13.9m，高度h2=16.3m，底板埋深h3=25.9m。抗浮水位位于車站拱頂上方h4=0.35m。

1、重度

頂板上覆土加權(quán)平均重度為：

r1=18.4kN/m3

結(jié)構(gòu)所在土層加權(quán)平均重度為：

r2=20.7kN/m3

2、靜止側(cè)壓力系數(shù)

結(jié)構(gòu)所在土層靜止側(cè)壓力系數(shù)加權(quán)平均值為：

k0=0.35

3、基床系數(shù)

結(jié)構(gòu)所在土層水平基床系數(shù)加權(quán)平均值為：

ks=52.63MPa/m

4、底板位于卵石層中，豎向基床系數(shù)：

kv=65MPa/m

地表超載q1=20kN/m2，地表超載帶來的側(cè)向壓力e21=e22=7kN/m2，中板裝修荷載：q2=0.15×22=3.3kN/m2;中板設(shè)備荷載：q3=8kN/m2;人群荷載：q4=4kN/m2;四通橋擋墻荷載：30kN/m2;水土壓力分最低水位和抗浮設(shè)防水位兩種工況。

（二）承載力極限狀態(tài)荷載、正常使用極限狀態(tài)

1、最低水位工況

結(jié)構(gòu)頂部土壓力：

P1=r1·h1=18.41×9.6=177kN/m2

結(jié)構(gòu)頂、底板側(cè)向土壓力：

3.2.2? 抗浮水位工況

結(jié)構(gòu)頂部水土壓力：

結(jié)構(gòu)頂、底板側(cè)向土壓力：

式中，P為水的密度（kN/m3）。

結(jié)構(gòu)頂板側(cè)向水壓力：

結(jié)構(gòu)底板側(cè)向水壓力：

結(jié)構(gòu)底板水浮力：

四、計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算結(jié)果如下：

（一）承載力極限狀態(tài)荷載

通過圖中結(jié)果比對(duì)可看出無水工況下拱腰部的彎矩1467kN·m<有水工況下拱腰部的彎矩1507kN·m，但是無水工況下底板跨中處彎矩3763kN·m>有水工況下底板跨中處彎矩3601kN·m。

（二）正常使用極限狀態(tài)

通過圖中結(jié)果比對(duì)可看出無水工況下頂拱跨中的彎矩754kN·m>有水工況下頂拱跨中的彎矩730kN·m，但是無水工況下底板支座處彎矩2284kN·m<有水工況下底板支座處彎矩2737kN·m，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該取兩種工況下的包絡(luò)值。以頂拱的設(shè)計(jì)結(jié)果為例，按承載力極限狀態(tài)來計(jì)算跨中的最大彎矩為1023kN·m，所需配筋面積為3792mm2，按正常使用極限狀態(tài)來計(jì)算跨中的最大彎矩為774kN·m，所需配筋為直徑25間距100，實(shí)際配筋面積為4909mm2才能滿足裂縫寬度要求。

經(jīng)計(jì)算表明：結(jié)構(gòu)配筋大多由裂縫控制（即正常使用極限狀態(tài)），只有結(jié)構(gòu)側(cè)墻因按壓彎構(gòu)件計(jì)算，軸向力對(duì)截面重心的偏心矩eo/截面有效高度ho<0.55可不驗(yàn)算裂縫寬度，故按承載力極限狀態(tài)計(jì)算配筋。

五、結(jié)語

計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在有水工況和無水工況下受力不同，兩種工況下都有制約結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限值，在設(shè)計(jì)時(shí)需將兩種工況進(jìn)行包絡(luò)考慮，在結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)時(shí)除側(cè)墻因按壓彎構(gòu)件考慮因其彎矩值較小，經(jīng)計(jì)算可忽略其裂縫影響，其余部位均由裂縫寬度控制來計(jì)算配筋。當(dāng)然不同水文地質(zhì)條件下的地下車站受力結(jié)果千變?nèi)f化，具體在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)哪些因素起控制作用還需要具體工程具體分析。

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