明挖地鐵車(chē)站空間效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

董 樑

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海 200235)

0 前 言

國(guó)內(nèi)地鐵車(chē)站一般為狹長(zhǎng)型標(biāo)準(zhǔn)段，通?？v向尺寸比橫向大很多。設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)建立在彈性地基上的框架模型為基準(zhǔn)，且相比于其他類(lèi)型的模型，平面模型易掌握，也能較好地控制工程精度，因此使用率較高。但是，在縱向上地鐵車(chē)站的中柱并不連續(xù)，這會(huì)造成車(chē)站結(jié)構(gòu)在縱向上的尺寸、剛度、地基反力等出現(xiàn)變化，此時(shí)，若計(jì)算平面模型結(jié)構(gòu)仍將中柱按照剛度等效成縱向薄連續(xù)墻，得到的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)偏差，平面模型簡(jiǎn)化后未考慮結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸對(duì)受力的影響，同時(shí)將單位板簡(jiǎn)化成梁的做法也忽略了空間效應(yīng)。目前國(guó)內(nèi)研究此課題的人員極少，空間計(jì)算分析也只存在于小范圍內(nèi)。本文結(jié)合具體工程，對(duì)空間和平面模型的差異進(jìn)行分析比較，希望為設(shè)計(jì)人員提供借鑒。

1 工程實(shí)例

七寶站為上海軌道交通市域線(xiàn)嘉閔線(xiàn)工程第11座車(chē)站，站位位于閔行區(qū)漕寶路與七莘路交叉口南側(cè)，沿七莘路南北向敷設(shè)。車(chē)站北側(cè)為匯寶購(gòu)物廣場(chǎng)及星鉆城，東側(cè)現(xiàn)狀為七寶萬(wàn)科廣場(chǎng)及青南小區(qū)，西側(cè)為牡丹新村小區(qū)及萬(wàn)兆家園。

車(chē)站為地下3層雙柱三跨13 m島式站臺(tái)車(chē)站，車(chē)站規(guī)模21.7 m×245 m(內(nèi)凈)，中心里程CK35+517.300，通過(guò)改造周邊地塊預(yù)留通道與9號(hào)線(xiàn)七寶站換乘。共設(shè)5個(gè)出入口，3組風(fēng)亭，4個(gè)安全出入口，總建筑面積為26 827.97 m2。

2 地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中空間利用的必要性

相比于平面模型，空間模型具有更強(qiáng)的直觀(guān)性，能形成一種結(jié)構(gòu)遷移。同時(shí)，為有效抵抗水土壓力及荷載壓力，在設(shè)計(jì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)時(shí)，要綜合考慮頂板在不斷增大的壓力負(fù)荷之下，會(huì)讓邊墻受到更多主動(dòng)土的作用，從而擴(kuò)大頂梁與底梁截面高度的問(wèn)題[1-2]。綜合這些因素和問(wèn)題，在構(gòu)筑之前先完成特殊土層的布置和對(duì)厚度的有效設(shè)定。此時(shí)借助空間模型可憑借其模擬能力，在展現(xiàn)不同程度設(shè)置要求的同時(shí)，可根據(jù)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和本工程的設(shè)計(jì)要求計(jì)算荷載壓力。此外，地鐵車(chē)站設(shè)計(jì)的具體圖形和現(xiàn)狀可通過(guò)空間模型的三維模擬展現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員可通過(guò)對(duì)平面模型和三維空間模型的分析對(duì)比，總結(jié)出兩種模型的差異和對(duì)應(yīng)性。

3 計(jì)算模型

3.1 平面模型

通過(guò)每延米的等效成梁?jiǎn)卧M(jìn)行頂板、中板、底板和內(nèi)襯墻的建模，因每個(gè)區(qū)域的施工條件不同，柱子并不能全部沿縱向連續(xù)布置，因此要先對(duì)柱子進(jìn)行等效處理，待此項(xiàng)工作完成后才能建立平面模型?？梢韵劝凑盏刃偠葘⑵湔鬯愠芍懈魤?，再取其中的一小部分建模。得到的結(jié)果減掉要反算回去的柱子所受的軸力后剩余數(shù)值就是每延米的受力。

3.2 空間模型

按板殼單元如實(shí)進(jìn)行頂板、中板、內(nèi)襯墻和底板建模，對(duì)于中柱、柱單元、邊界條件的模擬和荷載的施加可參照平面模型中的方式。

3.3 模型校核

平面與空間兩種模型從材料性質(zhì)、截面屬性、施加荷載上都一樣，且兩者在橫向上的支座反力和變形規(guī)律也基本一致，因此可將兩種模型看作對(duì)應(yīng)模型。但是，因平面模型無(wú)法有效考慮縱向空間作用，故底板沿著縱向變形出現(xiàn)的波動(dòng)也很難在平面模型中體現(xiàn)出來(lái)。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

底板是整個(gè)車(chē)站結(jié)構(gòu)中受力最大的部分，且其具有很強(qiáng)的代表性，所以，后文的相關(guān)分析討論也只以底板的計(jì)算結(jié)果為參照。

4.1 底板彎矩沿車(chē)站橫向?qū)Ρ?/h3>

通常情況下，不論是車(chē)站的設(shè)計(jì)還是施工，橫向都以中柱為中心線(xiàn)呈對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此，本文中所涉及的所有分析都只取一邊的數(shù)據(jù)，接近0、-5、-10 m的位置分別為底板靠近中柱處、底板跨中和底板靠近側(cè)墻處。本文定義底板下側(cè)受拉為正。通過(guò)圖1可看出，底板下側(cè)靠近側(cè)墻和中柱的位置受拉最為明顯，底板上側(cè)靠近跨中的位置受拉則最明顯，這種現(xiàn)象在平面和空間兩種模型中都有所展現(xiàn)，這是因?yàn)樗蛏系母×?huì)在底板上起作用，此時(shí)側(cè)墻和中柱則會(huì)在一定程度上限制底板變形。

平面模型比空間模型的彎矩計(jì)算結(jié)果大，但跨中位置除外，出現(xiàn)此種情況是因?yàn)樵谄矫婺Ｐ陀?jì)算時(shí)，只計(jì)算了單獨(dú)的一榀框架，空間效應(yīng)的影響未被考慮，但車(chē)站實(shí)際是由多個(gè)這樣的框架組合而成的，在施工開(kāi)始后，框架之間會(huì)存在一定的幫助效應(yīng)，因此在計(jì)算彎矩時(shí)，通常平面模型計(jì)算得到的值會(huì)比空間模型大，此現(xiàn)象在靠近中柱和側(cè)墻的位置特別突出。上文有提及車(chē)站縱向上的中柱并不連續(xù)，但平面模型中將中柱按照剛度等效以每延米的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置了中隔墻，忽略縱梁可能會(huì)出現(xiàn)的變形問(wèn)題。相反，空間模型對(duì)這種實(shí)際的作用和問(wèn)題有一定的考慮，具體可通過(guò)空間模型跨中與柱上板帶的計(jì)算結(jié)果來(lái)反映，結(jié)合圖1可知，跨中與柱上板帶的彎矩在跨中和側(cè)墻處極接近，因中柱處的應(yīng)力在中柱位置集中，因此，會(huì)讓靠近中柱位置的柱上板帶彎矩展現(xiàn)出明顯增大的趨勢(shì)。

圖1 底板沿橫向彎矩對(duì)比

4.2 底板彎矩沿車(chē)站縱向?qū)Ρ?/h3>

通常情況下，基本模型的標(biāo)準(zhǔn)柱距是8.5 m，通過(guò)對(duì)比平面與空間兩種模型沿縱向底板彎矩的大小可確定：兩者得到的結(jié)果存在差異，且空間模型的結(jié)果小于平面模型，但在側(cè)墻和跨中位置兩者卻有相同的規(guī)律。因底板受中柱約束，在空間模型中，底板靠近中柱處的彎矩沿縱向出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，板的左右兩邊會(huì)將豎向荷載傳遞給縱梁和邊墻，但現(xiàn)在本應(yīng)傳遞給縱梁的荷載卻沿著中柱傳遞給了底板，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一系列不連續(xù)的點(diǎn)，從而造成了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

5 中柱柱距對(duì)結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)的影響

目前，國(guó)內(nèi)已建地鐵中常見(jiàn)的柱間距有7、7.5、8.5、9、9.5 m。為更好地觀(guān)察空間模型的計(jì)算結(jié)果，本文分別取柱跨7、7.5、8.5、9、9.5 m建立5個(gè)模型，并提取這些模型的中底板內(nèi)力結(jié)果，如圖2～6所示。

圖2 底板側(cè)墻處彎矩比值與柱距關(guān)系

圖3 底板中柱處沿縱向彎矩對(duì)比

圖4 底板跨中處沿縱向彎矩對(duì)比

圖5 底板側(cè)墻處沿縱向彎矩對(duì)比

圖6 中柱處彎矩比值與柱距關(guān)系

從圖2～6可看出，兩種模型在底板側(cè)墻位置的彎矩具有類(lèi)似的變化規(guī)律，但此處彎矩與跨度的變化成正比，這時(shí)因此在單位荷載不變的情況下，隨著柱距的不斷增加，不僅會(huì)減弱車(chē)站中間位置的剛度，而且會(huì)讓荷載向著側(cè)墻的位置有所轉(zhuǎn)移。此時(shí)中柱處底板的彎矩也會(huì)出現(xiàn)較大程度的變化，通常會(huì)表現(xiàn)為柱上板帶與平面模型二者彎矩的比值與柱距也成正比，跨中板帶與平面模型二者彎矩的比值與柱距則成反比，這種結(jié)果說(shuō)明增大跨度值，會(huì)讓框架柱對(duì)柱上板帶的約束更為明顯，而對(duì)跨中板帶受的約束則逐漸減弱。

6 結(jié)束語(yǔ)

地鐵車(chē)站建設(shè)極為復(fù)雜，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步讓空間模型計(jì)算逐漸普及，同時(shí)不應(yīng)忽略對(duì)地鐵車(chē)站內(nèi)力變化規(guī)律的研究。通過(guò)本文的研究可得出以下結(jié)論。

1)從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，平面與空間兩種模型有明顯差距，因此將中柱等效與縱向薄墻對(duì)等不僅缺乏有效的理論支撐，也會(huì)讓設(shè)計(jì)者忽視空間結(jié)構(gòu)變形對(duì)整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)的影響。

2)柱距增加讓柱上板帶受框架柱的約束增強(qiáng)，跨中板帶受框架柱的約束則減弱。

3)建議在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的地鐵車(chē)站時(shí)，將側(cè)墻與中柱位置底板的最大削峰控制在80%以?xún)?nèi)。

[ID:013635]