關于地鐵車站的抗浮設計研究
2014-12-31 00:00:00袁華凱
基層建設 2014年22期
摘要：隨著我國經濟和社會的發展，同時為了減輕地上交通運輸的巨大壓力，地下軌道交通的建設發展日新月異。地鐵車站深埋在地下，城市地下水位往往較高，這勢必需要對地鐵車站進行抗浮設計研究。
關鍵詞：地鐵車站；抗浮設計；計算
1.工程概況
某城規劃建設地下三層地鐵站，車站結構高度22.36 m、寬度23.2m、覆土厚度約2.7 m，車站底板埋深約25.06m。車站采用復合墻結構，圍護結構采用1.0m 地下連續墻，嵌固深度5.0m，采用明挖順作法施工。
根據車站地質詳勘報告，車站埋深范圍內主要分布有〈1〉雜填土、〈3-2〉中粗砂、〈4N－2〉淤泥質土、〈5H－2〉花崗巖殘積土等土層，基底以下主要為〈6H〉全風化、〈7H〉強風化花崗巖。
2.抗浮計算
2.1 車站整體抗浮計算
抗浮計算選取延米車站標準斷面計算。由于本車站所處位置地勢較低，考慮地鐵設計的工程經驗和地鐵百年工程的重要性，抗浮計算水位按最不利工況選取，水位取至地面。
根據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007—2011）， ，式中： 為建筑物自重及壓重之和， 為浮力作用值， 為抗浮穩定安全系數，在不考慮側壁摩阻力時，取1.05；考慮側壁摩阻力時，取1.15。
2.1.1 不計側壁摩阻力時的抗浮計算
設置壓頂梁能夠利用圍護結構自重和圍護結構與巖土間側壁摩阻力來提供抗浮力，是地鐵抗浮設計中優先考慮的抗浮措施。設置壓頂梁后，結構抗浮力包括車站主體結構重、圍護結構重、壓頂梁重、頂板上覆土重及圍護結構與巖土間摩阻力（現暫不考慮）。
經計算，車站主體浮力為
車站主體自重及覆土自重
圍護結構及壓頂梁自
根據前式得： lt;1.05。故設置壓頂梁后在不計圍護結構與巖土間摩阻力時，無法滿足抗浮要求。
2.1.2 考慮側壁摩阻力時的抗浮計算
考慮圍護連續墻與巖土間摩阻力時，應根據式（2）Nk≤Tuk/2+Gp和式（3）Tuk=Σλiqsikuili計算，計算中qsik應取極限側摩阻力。
根據式（3）計算得：Tuk=2237.7 kN/m；
圍護結構能夠提供的有效力為 = G2 + Tuk =3126kN/m；
根據式（1）得： =（3318+3126）/5863=1.10＜1.15。
因此，在考慮側壁摩阻力時，車站抗浮仍無法滿足要求，需要設置抗拔樁。
通過計算可知，若要滿足抗浮安全系數Kw≥1.15，抗拔樁需要提供的有效抗浮力應大于298 kN/m。
2.2 整體抗浮有限元計算分析
2.2.1計算模型及荷載
車站圍護結構與主體結構采用復合墻結構，圍護結構、主體結構共同參與受力，結構尺寸如下圖所示：
采用SAP2000建立結構計算模型，各主要結構均采用實體單元模擬。連續墻和主體結構側墻之間采用僅能受壓連桿模擬（連桿受拉時取消），連續墻嵌固段及主體結構底板下均設置彈簧，模型不考慮圍護結構側摩阻力作用，在壓頂梁位置用固定鉸支座來進行模擬。結合本工程梁柱布置情況，每個斷面按照設置兩根抗拔樁進行計算。
抗浮計算時采用正常使用工況進行計算。主體結構材料梁板采用C35混凝土，柱采用C50混凝土，相關材料參數均依據《混凝土結構設計規范》（GB 510010-2010）選取。側向土壓力施加在連續墻外側，由連續墻和主體結構側墻共同承擔；側向水壓力施加在主體側墻外側，由主體結構側墻承擔。
2.2.2 計算結果分析
計算中，為反映抗拔樁不同受力狀態下的結構底板位移及壓頂梁受力，將壓頂梁模擬為鉸支座，抗拔力模擬為豎向力，計算結果如圖2和圖3所示。
2.抗拔樁節點布置圖""""""""" 3.正常使用工況位移圖
試算不同抗拔力下的結構底板、軌道最大位移及壓頂梁支座位置反力，試算結果見表2。試算中抗拔力首先取0，計算無抗拔樁時結構底板位移；后在此基礎上抗拔力遞增，計算不同抗拔力下底板及軌道最大位移情況。
表2 節點受力及位移統計表
單根抗拔力
Fi/（kN/m）
底板位移
Hi/mm
軌道最大位移
hi/mm
單側支座反力
Ni/（kN/m）
0
34.4
12.4
1148.1
100
33.6
12.2
997.6
150
29.0
10.5
947.4
200
27.2
9.9
947.4
300
23.6
8.7
847.0
根據《混凝土結構設計規范》中撓度控制要求，車站寬度為23.2 m，撓度限值應為23200/400=58mm，不設置抗拔樁顯然也滿足規范要求；同時，需要控制軌道位置結構變形，根據表2可知，在單根抗拔力為200kN/m 時，可滿足軌道位移控制要求。
驗算此時抗浮Kw=（3318+3126+400）/5863 =1.17＞1.15，滿足抗浮要求。
根據有限元計算，本斷面在滿足位移要求前提下的抗拔力為400kN/m，大于整體抗浮計算所需抗拔力即298kN/m。由此分析，采用整體抗浮計算雖能滿足抗浮要求，但無法保證結構底板位移滿足規范要求，因此，整體有限元分析在抗浮計算中是十分必要的。
此時兩側支座反力N=862.8×2=1725.6kN/m，遠小于圍護結構能夠提供的有效力Gw。分析這應該與計算過程中側壁摩阻力無法模擬有關。采用整體有限元分析僅能分析結構位移，而壓頂梁位置結構設計時所取反力仍應采用整體抗浮計算中能夠提供的最大有效應力。
3.結論與建議
地鐵車站抗浮設計，通過選取相關參數及公式進行計算，并結合有限元結構軟件分析結構底板位移，可合理確定結構相關抗浮方案及設計。由于抗浮設計取最不利荷載工況，結合以往地鐵車站抗浮設計經驗，整體有限元計算抗浮是安全可靠的。
參考文獻：
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