大埋深對明挖地鐵車站出入口結(jié)構(gòu)影響分析

汪子豪 歐陽院平 洪亮

摘 要：以武漢地鐵 12 號線某明挖車站的出入口結(jié)構(gòu)為背景，計(jì)算分析出入口結(jié)構(gòu)頂板底埋深 5m、9m 和 18m 3 種條件下不同結(jié)構(gòu)截面時(shí)的結(jié)構(gòu)受力，分析大埋深對出入口結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，與一般埋深下的出入口結(jié)構(gòu)不同，當(dāng)結(jié)構(gòu)埋深較大時(shí)，結(jié)構(gòu)自重對受力影響相對較小，增加截面尺寸能夠顯著降低結(jié)構(gòu)受力;在作對比分析時(shí)，引入正則彎矩概念，對不同埋深時(shí)結(jié)構(gòu)正則彎矩與結(jié)構(gòu)截面的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而對大埋深出入口結(jié)構(gòu)截面進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：地鐵;明挖車站;大埋深;出入口結(jié)構(gòu);正則彎矩;優(yōu)化分析

中圖分類號：U231.3

地鐵明挖地下車站出入口附屬結(jié)構(gòu)作為聯(lián)系外部空間和車站內(nèi)部空間的主要通道，其安全性十分重要，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還應(yīng)兼顧其經(jīng)濟(jì)性。出入口通常在地下一層與主體結(jié)構(gòu)相連接，其基坑開挖深度一般在10 m左右，工程計(jì)算中，往往可以采用較為固定的斷面設(shè)計(jì)尺寸[1-4]。然而隨著地鐵建設(shè)規(guī)模逐步擴(kuò)張，線網(wǎng)規(guī)劃趨于復(fù)雜，附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)受限于建筑紅線、控制管線、交通組織、線路換乘等因素[5-8]，大埋深出入口的非典型情況越來越多見[9-10]。

本文結(jié)合武漢地鐵12號線某出入口結(jié)構(gòu)實(shí)例，研究地下車站出入口結(jié)構(gòu)不同埋深時(shí)的結(jié)構(gòu)受力，對大埋深出入口結(jié)構(gòu)截面進(jìn)行優(yōu)化。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

武漢地鐵12號線某明挖車站受限于市政管線改遷和線路交叉等因素，出入口基坑開挖深度最大達(dá)20余米。本文采用有限元模擬頂板底埋深5 m～18 m的出入口標(biāo)準(zhǔn)斷面。

1.1 基本假定

明挖車站的出入口結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面為箱形鋼混結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)縱向荷載分布無突變，底板地基承載力均勻，其結(jié)構(gòu)受力分析可簡化為平面問題[11-14]。地鐵車站結(jié)構(gòu)一般采用彈性分析方法，驗(yàn)算承載力大小和裂縫寬度。計(jì)算模型中，底板下設(shè)置豎向受壓土彈簧支撐;考慮結(jié)構(gòu)最不利受力情況進(jìn)行荷載組合，迎土面按照0.2mm裂縫控制配筋，背土面和車站內(nèi)其他部位按照0.3mm裂縫控制配筋[15-17];結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按使用年限100年考慮，不考慮抗震工況和偶然組合。

1.2 計(jì)算模型

出入口結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面的結(jié)構(gòu)凈高4.2 m，凈寬6.5m，采用C35抗?jié)B混凝土。計(jì)算中，分別對頂板底埋深5m、9 m和18 m3種條件下的出入口結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行分析;考慮土壓力、水壓力、頂板覆土和地面超載4 類荷載作用，偏安全考慮取地表為抗浮水位[18-20]，其受力示意圖如圖1所示。當(dāng)頂板底埋深為5 m時(shí)，出入口底板所受水浮力約為100 kN;當(dāng)頂板底埋深達(dá)到18m時(shí)，出入口底板所受水浮力增加約230 kN，相應(yīng)地，頂板覆土壓力也由約40 kN增加至約170 kN。

2 結(jié)構(gòu)模擬分析

本節(jié)將對頂板底埋深分別為5 m、9 m和18 m的標(biāo)準(zhǔn)出入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析，出入口結(jié)構(gòu)斷面均為標(biāo)準(zhǔn)斷面。結(jié)合結(jié)構(gòu)受力和實(shí)際情況，對每一種頂板底埋深的情況取5～7組結(jié)構(gòu)尺寸組合，如表1所示。

分別計(jì)算不同結(jié)構(gòu)厚度下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，綜合比選承載力和裂縫分析結(jié)果，得到不同埋深條件下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。當(dāng)荷載條件相同時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)尺寸變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)力也會(huì)發(fā)生變化;結(jié)構(gòu)厚度越大的截面，其承載能力越強(qiáng)。為便于對比，本節(jié)將采用板厚對彎矩進(jìn)行正則化。

2.1 頂板底埋深 h = 5 m 出入口結(jié)構(gòu)分析

出入口結(jié)構(gòu)頂板底埋深h = 5 m時(shí)，不同標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸下的準(zhǔn)永久彎矩如圖2所示，圖2中橫坐標(biāo)對應(yīng)表1中的不同截面方案，縱坐標(biāo)的正則彎矩為結(jié)構(gòu)彎矩與對應(yīng)位置截面厚度的比值。

由圖2可知，隨著截面厚度的增加，不同截面位置的正則彎矩均呈現(xiàn)出減小趨勢;側(cè)墻跨中正則彎矩值相對較小，不是計(jì)算結(jié)構(gòu)尺寸的決定性因素;當(dāng)截面增大到截面方案S3時(shí)，底板跨中和邊支的正則彎矩均達(dá)到最小值;截面方案從S3增加到S4時(shí)，頂板、底板及側(cè)墻的厚度均增加100 mm，此時(shí)頂板的正則彎矩減小，底板和側(cè)墻跨中則不降反升。由此可見，截面方案S3至S4的截面尺寸增大帶來的承載能力提升不顯著，不足以抵消底板和側(cè)墻的彎矩增加;此后隨著截面增大，正則彎矩幾乎不變。

綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性，計(jì)算頂板底埋深h = 5 m時(shí)截面方案S1至S5的承載力和裂縫，此出入口標(biāo)準(zhǔn)截面的最佳截面方案為S3。

2.2 頂板底埋深 h = 9 m 出入口結(jié)構(gòu)分析

出入口結(jié)構(gòu)頂板底埋深h = 9 m時(shí)，不同標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸下的正則彎矩如圖3所示。類似地，隨著截面厚度的增加，不同截面位置的正則彎矩均成減小趨勢，側(cè)墻跨中彎矩值相對較小;截面方案從S2增加到S3時(shí)，僅頂板厚度增加100 mm，此時(shí)頂板和側(cè)墻跨中正則彎矩減小，底板則在邊支位置正則彎矩減小，在跨中位置相應(yīng)增加;對于截面方案S3至S5，結(jié)構(gòu)正則彎矩變化幅度較小，即此時(shí)截面尺寸增加對結(jié)構(gòu)承載能力的提升效果不顯著。

綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性，計(jì)算頂板底埋深h = 9 m時(shí)截面方案S1至S5的承載力和裂縫，此出入口標(biāo)準(zhǔn)截面的最佳截面方案為S3。

2.3 頂板底埋深 h = 18 m 出入口結(jié)構(gòu)分析

出入口結(jié)構(gòu)頂板底埋深h = 18 m時(shí)，不同標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸下的正則彎矩如圖4所示。隨著截面厚度的增加，不同截面位置正則彎矩基本保持減小趨勢，側(cè)墻跨中正則彎矩值相對較小;截面方案從S2增大到S3時(shí)，頂板和底板厚度均增加100 mm，正則彎矩均有明顯明顯減小;截面方案從S3增大到S4時(shí)，僅頂板厚度增加100 mm，此時(shí)頂板和側(cè)墻跨中正則彎矩均減小，底板則幾乎不變，僅其邊支位置正則彎矩略有增加，頂板和底板正則彎矩仍較大，對結(jié)構(gòu)承載力和裂縫進(jìn)行計(jì)算可知，此時(shí)結(jié)構(gòu)配筋率仍較高;當(dāng)出入口結(jié)構(gòu)截面繼續(xù)增大，即截面方案從S4增大到S5時(shí)，僅底板厚度增加100 mm，此時(shí)底板正則彎矩顯著減小，頂板則變化較小;當(dāng)截面從S6增大至S7時(shí)，僅側(cè)墻厚度增加100 mm，頂板和底板跨中彎矩均略為減小，且各邊支處正則彎矩不降反升。由此可見，為優(yōu)化出入口結(jié)構(gòu)截面尺寸和配筋率，增加底板厚度的效果與增加頂板厚度相一致。