某城市地鐵車站風井結構分析

余 灝， 程遠志， 王 飛

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

某城市地鐵車站風井結構分析

余 灝， 程遠志， 王 飛

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

文章以某城市地鐵車站風井為例，建立結構平面應變分析有限元模型，對結構的應力、位移、變形和內力進行結構計算，得出結構的強度安全系數及結構裂縫寬度，確定和驗證了支護方式。用有限元數值方法對風井結構模擬計算能較真實地反映結構的內力和變形情況，可以用于對結構安全性能進行評價，為類似結構設計提供科學依據。

地鐵車站；風井；結構；計算

目前，伴隨著巖土力學的發展，有限元法已成為發展最迅速的用于結構分析的數值計算方法之一[1]。本文以某城市地鐵車站風井為例，建立結構平面應變分析有限元模型，對結構的應力、位移、變形和內力進行結構計算，得出結構的強度安全系數及結構裂縫寬度，進而為確定和驗證結構支護方式提供依據[2-3]。

1 工程概況、結構模型及荷載計算

車站原始地貌屬構造剝蝕丘陵區，后經人工改造為城市主干道，場地已整平，地形由起點平緩上升。地形、地貌特征簡單。車站采用明挖法開挖。

風井設于車站起點，結構形式為豎井兼活塞風井。地下結構斷面需滿足通風面積及行車限界要求，同時斷面結構之上還有城市主干道通行。

風井斷面采用明洞斷面，根據文獻[4-5],計算采用荷載-結構法，假定構件為小變形彈性梁，離散為足夠多個等厚度直梁單元。建立風井襯砌斷面模型，如圖1所示。

圖1 風井結構計算圖式

2 襯砌結構內力及安全系數

基于溫克爾假定的彈性地基梁法認為地層的彈性抗力與結構的變位成正比，據此采用彈簧來模擬荷載和結構的相互作用[6]，用布置于模型各節點上的彈簧單元來模擬荷載和結構的相互作用性[7]。計算采用有限元軟件Ansys分析，用BEAM3單元模擬結構，用COMBINl4彈簧單元模擬荷載與結構的相互作用，對結構進行數值模擬如圖2～圖5所示。

圖2 風井結構彎矩圖

圖3 風井結構軸力圖

圖4 風井結構剪力圖

圖5 風井結構變形圖

對結構模型提取內力結果，參照文獻[4]，結構按“破損階段”法計算安全系數，并驗算裂縫寬度。對風井結構型式進行結構驗算，如表1所列(取不同部位)。

表1 安全系數檢算表

3 結 論

通過對風井結構二維有限元數值模擬分析，得出以下主要結論[8-12]：

(1) 從結構的軸力、彎矩圖可以看出，對于同一厚度的結構，邊墻和底板的軸力比較大，而邊墻與底板連接處的彎矩和剪力都特別大，有應力集中現象。

(2) 通過結構型式計算，可知該車站風井的設計支護結構是安全可靠的，選用的設計支護參數也是合理的。

(3) 用有限元數值方法對地下結構進行分析計算能較真實地反映結構的內力和變形情況，也可以用于對結構安全性能進行評價。

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[4] TB 10003-2005, 鐵路隧道設計規范[S].

[5] GB 50157-2013, 地鐵設計規范[S].

[6] 趙尚毅，鄭穎人，宋雅坤，等．地下隧道襯砌結構內力計算方法探討[J]．后勤工程學院學報，2007，23(4):29～33．

[7] 李 圍.隧道及地下工程Ansys實例分析[M]．北京：中國水利水電出版社，2008.

[8] 吳連波，梁 波，黃友林．基于Ansys的隧道支護結構參數優化分析[J]．交通標準化，2008(2～3):92～94．

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[11] 張德恒.開挖隧道支護結構的數值模擬研究[J].南京工程學院學報(自然科學版),2011，9(2):48～51．

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遺失聲明

安徽同濟德渡機械設備租賃有限公司的安全生產許可證(副本)遺失。編號：(皖)JZ安許證字[2006]001584-2-1。特此聲明作廢。

2016年11月1日

安慶五一電器安裝有限公司許明同志的安全生產考核合格證書遺失。證書編號：皖建安C(2014)0181069。特此聲明作廢。

2016年10月19日

2016-09-09；修改日期：2016-09-12

余 灝(1979-)，男，安徽霍邱人，安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司高級工程師．

U231.4

A

1673-5781(2016)05-0620-02