地鐵車站端頭井結(jié)構(gòu)受力三維數(shù)值模擬

摘要：地鐵地下車站一般為狹長形狀，其標準段變形以橫截面上的平面變形為主，因此通常采用二維平面模型進行分析，但對盾構(gòu)端頭井段等部位，由于其受力具有典型的空間特性，荷載-結(jié)構(gòu)平面框架計算方法無論在精度或可靠度上都達不到設(shè)計要求，因此，需建立空間整體模型對其進行受力分析。本文探討了端頭井的分析計算方法，介紹了端頭井計算模型和計算中存在的問題，并通過實例詳細介紹了端頭井空間三維計算模型的建立、荷載的組合、荷載圖式、約束條件等，運用軟件對模型進行了計算，對計算結(jié)果進行了分析，得出的結(jié)論對類似工程的設(shè)計有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：地鐵車站 端頭井 空間三維模型 受力計算

0 引言

在地鐵結(jié)構(gòu)中，端頭井（也稱作盾構(gòu)工作井），是典型的空間結(jié)構(gòu)，端頭井滿足盾構(gòu)施工要求，大部分情況下必須在施工過程中，端頭井內(nèi)框架柱和框架梁必須后澆（如掉頭井），或者在樓板預留吊裝孔（如始發(fā)井），這是凈空要求、吊裝凈尺寸及掉頭空間要求等過程中常見的情況。作為地鐵區(qū)間隧道施工時供盾構(gòu)拼裝、拆卸頭的空間，端頭井必須做好上述各項工作[1]。由于端頭井結(jié)構(gòu)長寬比接近1.0，在換算成為平面結(jié)構(gòu)時會有比較大的誤差，變形的大小不相同，支撐結(jié)構(gòu)一般采用斜向布置，支撐長短不一。而且端頭井結(jié)構(gòu)在開挖階段就有比較明顯的空間效應，同時呈現(xiàn)出彎曲和扭曲的情況，大多出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角處，“L”型、“T”型和“Z”型墻幅等。一般采用的計算工具均為有限元軟件，如SAP、ANSYS、Autodesk Robot Structural Analysis Professional2009等，平面框架計算的方法無法完成端頭井的特殊受力計算要求。

1 端頭井計算存在的問題

對于空間結(jié)構(gòu)，應該采用較為真實的整體模型進行分析。所采用的計算模式，應和結(jié)構(gòu)實際的受力條件相吻合，并能反映結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用。結(jié)構(gòu)計算遵循“先變位、后支撐”的原則進行，計算下階段內(nèi)力和變形時，計入上階段的先期位移值及支撐變形。當結(jié)構(gòu)體系和荷載均發(fā)生變化時，按分步計算進行疊加和按最終階段的荷載總量進行計算，其結(jié)果是完全不同的。因此為正確反映各階段的受力情況，可采用增量法進行計算，即荷載以增量的形式，加到不斷變化的結(jié)構(gòu)體系上，每階段只計算本階段結(jié)構(gòu)在荷載增量作用下的內(nèi)力及位移，其實際的內(nèi)力狀態(tài)為與以前各階段的內(nèi)力與位移的疊加值[1]。

2 端頭井計算方法

在車站端頭井段施工全過程中，對設(shè)計、施工來說，最為關(guān)心的是拆除全部支撐后，車站圍護結(jié)構(gòu)、內(nèi)襯及樓板位置的上、下水平框架梁在施工過程中的受力、變形情況。既有車站端頭井設(shè)計計算大多采用平面簡化模型分析，上、下水平框架梁結(jié)構(gòu)采用的截面大，配筋率高，車站內(nèi)襯厚，配筋多。雖然施工和使用過程中安全得到了保證，但將造成材料浪費。為了準確分析車站端頭井圍護結(jié)構(gòu)、內(nèi)襯及上、下水平框架梁在施工過程中的受力、變形情況，以便對端頭井內(nèi)襯和上、下水平框架梁進行合理、經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]。本文提出采用整體建模的方式，以梁-板組合的空間三維分析模型進行計算。

3 端頭井計算實例

某地下二層島式站臺車站，車站主體基坑長439.2m，寬22.7m；端頭井基坑開挖深度18.05m；采用明挖順作法+路口局部蓋挖順作法施工主體結(jié)構(gòu)。端頭井尺寸見圖1。根據(jù)地質(zhì)勘探和設(shè)計資料，地下水位位于地面以下1.45～1.89m之間，車站頂板位于地面以下3.0m，底板位于粉質(zhì)粘土中。主體結(jié)構(gòu)穿越的土層有：①1雜填土、①3素填土、①4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③1粘土、③2粉質(zhì)粘土、④6粉土夾粉砂。

3.1 計算模型尺寸選取及計算軟件。對由地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)和車站內(nèi)襯組成的重合墻，模型尺寸根據(jù)車站結(jié)構(gòu)尺寸按中心線確定，采用板單元，板單元厚度根據(jù)地下連續(xù)墻厚度和車站內(nèi)襯厚度經(jīng)折減疊加確定[4][5]。

計算軟件選用Autodesk Robot Structural Analysis Professional2009。（圖1）

3.2 材料參數(shù)。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，車站內(nèi)襯、地下連續(xù)墻和車站上下水平框均采用C35混凝土，泊松比μ=0.2，重度γ=25kN·m-3，彈性模量E=3.15×107kPa，

梁、板剛度采用折減抗彎剛度[3]。

3.3 荷載及組合。荷載主要有：①結(jié)構(gòu)自重；②頂板覆土；③吊頂及裝飾層荷載；④設(shè)備荷載；⑤水浮力；⑥端頭井回填素砼重；⑦軌道板、站臺板重；⑧水壓力；⑨頂面活載；⑩列車荷載。荷載組合考慮車站正常運營后的最不利組合，具體包括運行工況組合和浮托工況組合。運行工況組合包括：承載能力極限狀態(tài)組合{1.1×（1.35×（①+②+③+④+⑤+⑥+⑦+⑧）+0.7×1.4×（⑨+⑩））}；正常使用極限狀態(tài)組合（①+②+③+④+⑤+⑥+⑦+⑧+⑨+⑩）。浮托工況組合包括承載能力極限狀態(tài)組合{1.1×（1.35×（①+②+③+④+⑤+⑥+⑦+⑧））}；正常使用極限狀態(tài)組合：（①+②+③+④+⑤+⑥+⑦+⑧）。

3.4 結(jié)構(gòu)模型和荷載圖式（見圖2～3）。

3.5 約束條件（見圖4）

底板豎向土彈簧Kv1=1.2E4kN/m3；側(cè)墻即變高處水平土彈簧K2=1.00E4kN/m3；抗拔樁等代彈簧K3=3.36

E5kN/m；地墻壓頂?shù)却鷱椈蒏4=2.16E5kN/m2；誘導縫處約束：X向位移約束；右側(cè)墻開孔處頂板梁及中板水平框架梁：Y+向位移約束。

3.6 計算與結(jié)果分析。

3.6.1 端頭井端墻。運行組合正常使用工況（計算結(jié)果見圖5～6）

3.6.2 內(nèi)力匯總、包絡(luò)（見表1）

取用各工況組合條件下的內(nèi)力包絡(luò)值作為結(jié)構(gòu)配筋并驗算裂縫開展寬度的依據(jù)。

4 結(jié)論

4.1 確定最不利荷載組合工況是準確模擬計算端頭井結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵所在，本文提出的運行工況荷載組合和浮托工況荷載組合方法能夠較為準確地計算端頭井結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)。

4.2 地鐵車站盾構(gòu)端頭井受力具有明顯空間特征， 采用三維空間模型計算分析，對計算模型進行合理簡化， 梁、板、墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力復雜，可避免所造成的計算失真現(xiàn)象，它主要是由于面簡化模型對板側(cè)向剛度的不合理假定而造成的。

4.3 運用Autodesk Robot Structural Analysis Professional軟件對端頭井三維空間模型進行計算，計算結(jié)果能夠為端頭井內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要依據(jù)。

參考文獻：

[1]陶勇，鄭俊杰，樓曉明.地鐵端頭井的設(shè)計計算方法探討[J]. 華中科技大學學報（城市科學版），2005.

[2]丁春林.地鐵車站端頭井受力計算模型研究[J].同濟大學學報（自然科學版），2007，（05）：621-625.

[3]同濟大學.房屋結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件：中冊[M].上海：上海科學技術(shù)出版社，1985.

[4]李慶來，付怡.明珠二期工程南浦大橋地下車站臨江側(cè)端頭井結(jié)構(gòu)計算[J].地下工程與隧道，2001.

[5]高志宏.盾構(gòu)端頭井結(jié)構(gòu)設(shè)計中的若干問題研究[J].四川建筑，2010（06）：153-155.

作者簡介：

趙利峰（1979-），男，河北武強人，本科，工程師，主要研究方向：施工技術(shù)。