地鐵車站端頭井處設計研究

蘆 宇 亭

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

地鐵車站端頭井處設計研究

蘆 宇 亭

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

結合哈爾濱地鐵一號線二期某車站案例，利用有限元分析軟件SAP2000建立了端頭井處三維模型，簡要介紹了地鐵主體結構計算的荷載類型與荷載組合，分析了建模時需要注意的問題，以求更準確的模擬地鐵盾構井結構在不同工況下的受力狀態，通過對比二維與三維模型內力結果，對設計提出更合理建議。

地鐵，端頭井，設計，有限元

0 引言

在地鐵結構中，由于車站為長條形結構，標準段為典型縱向平面受力結構，以平面應變為主，故可沿縱向取單位長度進行典型斷面結構分析。端頭井作為地鐵區間隧道施工時供盾構拼裝、拆卸或調頭的空間，既是盾構施工工作井，又是地鐵車站設備用房的一部分。因此，在施工階段，盾構端頭井的頂、中板需預留盾構吊裝孔。大面積開洞將大幅削弱結構的水平剛度，頂、中板無法對側墻提供支撐，這就要求使用轉換結構來平衡側向水土壓力，在側墻處設置壁柱。在樓板開洞處的側墻位置設置水平框架梁，與結構的縱梁形成一道環梁。由于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，故一般采用有限元軟件進行三維建模，如SAP2000，ANSYS等。

1 工程概況

哈爾濱地鐵一號線二期某車站采用鋼筋混凝土雙層雙跨，局部多跨箱形框架結構。為地下2層標準島式車站。車站內包尺寸為224.2 m(長)×18.3 m(寬)/22.1 m(盾構加寬處)，站臺寬度11.0 m，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層。抗浮水位為128.5 m。有效站臺中心里程處軌面標高為120.545 m，底板埋深約為16.985 m，頂板覆土厚約3.125 m。頂板厚度為0.80 m，中板厚度為0.40 m，底板厚度為1.0 m，側墻厚度為0.8 m，框架柱b×h=700 mm×1 400 mm，3層板的主要梁截面b×h分別為:1 200 mm×2 000 mm，800 mm×1 000 mm，900 mm×2 200 mm(見圖1～圖3)。

2 計算參數

2.1 計算模型的選取

模型尺寸需根據車站結構尺寸，按中心線確定。考慮標準段結構與端頭井結構之間的影響，模型包含一跨標準段。計算長度從端頭井端板起，到相連車站標準段的第一條誘導縫為止，共長23.7 m。

2.2 計算荷載類型與荷載組合

地鐵車站埋于地下，結構構件之間、結構與土體間共同作用，荷載種類繁多，是一個復雜的空間結構體系。

1)永久荷載。

結構自重由軟件自身計算。土側壓力:施工階段，主、被動土壓力按朗肯土壓力公式計算側向土壓力，使用階段按靜止土壓力計算(見圖4)。頂板覆土，容重γ=19.5 kN/m3。設備荷載:大型設備荷載按實際取值，其值不小于8.0 kPa。水側壓力由其抗浮水位決定(見圖5)。

2)可變荷載。

路面超載：q=30 kN/m2；人群活載：q=4 kN/m2；施工荷載：q=20 kN/m2。

3)偶然荷載。

按地震設防烈度6度計算其地震作用。人防荷載按六級人防進行考慮，僅用于驗算結構強度，未計入結構內力包絡中。

4)荷載組合見表1。

車站主體結構計算按底板作用在彈性地基上的框架結構進行內力計算。通過計算分析可知，地震和人防工況不起控制作用，組合1基本組合為最不利組合，直接組合1的內力包絡值進行結構配筋設計。

表1 荷載組合表

2.3 荷載工況

施工階段。頂、中板設盾構吊裝孔。這個階段，只考慮的是自重工況。主要是橫框架，側墻，端墻的受力分析，荷載主要考慮地面堆載、側壁堆載、土側壓力、施工荷載，共四種荷載。

使用階段。分自重工況與水反力工況兩個受力工況進行計算，主要分析頂、中、底三層板以及相應梁柱的受力狀況。

自重工況：考慮的是結構在重力方向的最不利狀態。因此，考慮的荷載有以下幾種：在使用階段，由于頂、中板的盾構吊裝孔封閉，頂板將承受覆土荷載以及地面超載；中板承受設備荷載；側壁水、土壓力；側壁超載，共六種荷載。

水反力工況：考慮在水反力作用下的端頭井內部結構受力最不利狀態。因此，考慮的荷載有以下幾種：頂板覆土荷載；側壁水壓力；側壁土壓力；底板水反力，共四種荷載。

3 端頭井計算

該車站采用SAP2000v15.1進行三維空間有限元分析。結構計算模型見圖6。

計算時需要注意的問題：

三維模型由框架單元和面單元組合而成。梁和柱采用框架單元，結構頂、中、底板及側壁采用Shell單元。布置梁單元的時候，要考慮到梁實際的偏心情況，在建模中需要對梁的抗彎剛度進行修正。

由于梁、板、柱和墻單元節點在相同位置處以共節點的方式來反映各構件的共同作用變形。在按四邊形和三角形有限元劃分的時候要注意節點的耦合。

結構計算模型支承在彈性地基上，基底用土彈簧模擬。二維平面框架采用只能受壓不能受拉的單向彈簧(Gap單元)進行連接。有效剛度取垂直基床系數×作用面積，并約束相關節點的平動和轉動自由度。三維模型與土接觸的面采用單向受壓的面彈簧(Area Springs單元)。彈簧系數的大小由地質報告加以確定。本計算中采用26 000 kN/m3。

本站端頭井側墻處開設大面積洞口，連接風亭與主體結構，在建模過程中需要將洞口周邊的點加以U2方向的約束。端頭井與標準段結構連接處添加繞橫軸的轉動約束R2和縱軸向位移約束U2(見圖6)。

4 計算結果分析

本文建立了端頭井處施工工況及使用工況的三維模型，端頭井1—1，2—2處橫框架平面模型(平面位置如圖2所示)，端頭井處縱框架平面模型。通過對比三維與二維模型輸出的內力得到以下結論：

1)對于板與墻，對比施工階段工況與使用階段工況下的內力云圖，在使用階段的內力起控制作用。在施工階段，由于有降水要求，側壁與底板少了水壓力的影響，導致結構內力大幅減少。結構底板的板柱節點位置，使用工況下的M11方向彎矩比施工工況下的M11方向彎矩大39.7%。底板與側墻相交處使用工況的內力達到施工工況下內力的7倍(如圖7，圖8所示)。

2)車站端頭井的側墻，采用空間三維模型分析，墻體所受彎矩的分布規律同平面二維模型計算結果比較一致，三維模型墻體彎矩絕對值最大值為668 kN·m，二維模型彎矩絕對值最大值為1 104 kN·m，相差39.5%(如圖9，圖10所示)。

3)從三維框架所受的內力可以得知，水平框架梁不僅承受彎矩和剪力，還承受比較大的軸力和扭矩。如第二層框架梁，其軸力可以達到1 905 kN，扭矩為572 kN·m。而平面二維縱框架模型是基于平面二維橫框架模型的內力結果按導荷方式進行輸入計算的，只能輸出彎矩和剪力值，與實際受力情況大有不同。與二維框架內力相比，三維框架輸出的內力要遠小于二維。這表明相對于平面二維模型而言，三維模型更符合結構的實際受力狀態。在設計時，需要結合三維模型來進行受力分析(如圖11，圖12所示)。

4)從三維模型的內力輸出云圖可以看出，風亭開口處、板柱節點處和板墻交線處有應力集中現象。而二維平面簡化模型未考慮大洞口且忽略了構件整體協調變形等條件。應根據三維模型在應力集中區域加強配筋(如圖9所示)。

5 結語

端頭井的計算分析結果表明，對于這種復雜空間結構，二維平面模型與結構實際受力狀態出入較大。為了保證結構安全可靠，并優化結構設計，對于這類有樓板和端墻大開洞以及結構與風道和出入口連接處等應力分布較復雜的部位，需建立局部區域整體模型進行分析。

[1] 陶 勇，鄭俊杰，樓曉明.地鐵端頭井的設計計算方法探討[J].華中科技大學學報(城市科學版)，2005(1)：31-32.

[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)，2007,35(5)：92-93.

[3] 北京金土木軟件技術有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].第2版.北京：人民交通出版社，2001.

[4] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

[5] GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

Design of subway station at the end well

Lu Yuting

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150000,China)

The three-dimensional model of the work well is built by using the finite element analysis software SAP2000 for a station to be constructed in the second phase of the rail transit line of Harbin. The types of the load and the load combinations of the calculation for the main structure of the metro station are briefly introduced. The issues that need attention are analyzed in order to simulate the stress state of the main structure of the metro station work well more accurately under different working conditions. By comparing the results of the two-dimensional and the three-dimensional model of the internal forces, the proposals is put forward more reasonably for the design.

metro, work well, design, finite element

2015-01-28

蘆宇亭(1990- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)10-0034-03

TU318

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