地下連續(xù)墻對(duì)地鐵車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的影響

李玉瓊

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518000)

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地下連續(xù)墻對(duì)地鐵車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的影響

李玉瓊

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518000)

【摘要】以實(shí)際明挖車站工程為背景，通過有限元軟件，分別計(jì)算車站主體結(jié)構(gòu)在有無圍護(hù)結(jié)構(gòu)(地下連續(xù)墻)情況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并進(jìn)行比較分析。本次建模計(jì)算分別采用SAP84與ANSYS有限元軟件，通過兩個(gè)軟件的計(jì)算對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有無圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)墻的內(nèi)力影響十分明顯，特別是側(cè)墻中部。總的來說無圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案計(jì)算過程簡便，內(nèi)力曲線更加連續(xù)合理，對(duì)地鐵車站設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】地下連續(xù)墻；重合墻結(jié)構(gòu)；有限元

近年來，隨著地鐵建設(shè)的迅猛發(fā)展，連續(xù)墻在地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用愈來愈廣泛。在地鐵設(shè)計(jì)中，連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，與主體結(jié)構(gòu)共同承受結(jié)構(gòu)荷載，因此，其對(duì)結(jié)構(gòu)受力有著極為關(guān)鍵的作用。本文以有限元軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合某實(shí)際地鐵工程，比較分析地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)(重合墻結(jié)構(gòu))，對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的影響。

1工程概況

某市地鐵2號(hào)線某車站有效站臺(tái)中心里程處底板底部埋深為17.29m、頂板覆土厚4.3m，側(cè)墻高度12.89m，厚0.65m。車站主體標(biāo)準(zhǔn)段寬為19m，為兩跨單柱2層車站。圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用1m厚地下連續(xù)墻，嵌固深度為4m。車站場區(qū)土層的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　各土層主要設(shè)計(jì)參數(shù)

注：表中只列出了所選取車站橫斷面內(nèi)的主要土層信息。

2計(jì)算模型及荷載邊界條件

原方案著重考慮主體結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受荷載時(shí)的相互作用，修改方案考慮主體結(jié)構(gòu)單獨(dú)承受荷載時(shí)的內(nèi)力變化，均選用荷載-結(jié)構(gòu)模型[1]。采用彈簧單元模擬圍巖土體，用壓桿模擬連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)之間連接，壓桿只傳遞軸力。原方案采用重合墻結(jié)構(gòu)(連續(xù)墻與側(cè)墻之間只傳遞軸力)，中板底部采用抗拔樁，記為方案1；修改方案去除地下連續(xù)墻，單獨(dú)分析主體結(jié)構(gòu)受力變形，記為方案2。

計(jì)算模型：方案1約束連續(xù)墻底部的所有約束以及約束底板中部的豎向位移(模擬抗拔樁)；方案2只約束底板中部的豎向位移。兩方案的計(jì)算模型對(duì)比圖見圖1。

(a)方案1　　　　　　　(b)方案2圖1　計(jì)算模型對(duì)比

3荷載計(jì)算

方案1中，按彈性地基上的框架模型考慮連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)的共同作用，荷載采用水土分算，土壓力作用在連續(xù)墻上、水壓力作用在側(cè)墻上[2]；方案2去除圍護(hù)結(jié)構(gòu)，水土荷載均作用于主體結(jié)構(gòu)[3]。兩方案均采用極限狀態(tài)進(jìn)行荷載組合[4]，本文只計(jì)算分析承載能力極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并進(jìn)行后續(xù)的比較研究。

4計(jì)算結(jié)果

4.1SAP84計(jì)算結(jié)果及分析

方案1采用重合墻結(jié)構(gòu)，采用梁柱單元模擬主體結(jié)構(gòu)與連續(xù)墻，連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置壓桿連接，彈性模量取為3×1010Pa，使結(jié)構(gòu)變形更加連續(xù)合理。壓桿面積取為單元長度乘以每延米，與方案2彎矩計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，見圖3。由彎矩對(duì)比圖比較可知，兩方案各部位內(nèi)力曲線趨勢基本一致，可見連續(xù)墻對(duì)主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布影響并不大。

結(jié)構(gòu)各部位計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)見圖2，各部位內(nèi)力相對(duì)改變量的大小見圖3與圖4。各部位內(nèi)力值見表2與表3(括號(hào)內(nèi)為相對(duì)差值百分比，黑體數(shù)字表示為該構(gòu)件的最大內(nèi)力值)。由表2與表3數(shù)據(jù)比較可知，兩方案主體結(jié)構(gòu)各部位內(nèi)力值基本一致(除去側(cè)墻中部彎矩與剪力兩方案相差較大之外)。各構(gòu)件最大內(nèi)力值(黑體)處，基本為方案2較大。另外，表3中，側(cè)墻頂部內(nèi)力值均為方案1較大。由此可見，方案2中，車站頂板以上側(cè)土壓力的缺失(方案1中，這部分側(cè)向壓力作用于連續(xù)墻)，對(duì)側(cè)墻頂部內(nèi)力還是產(chǎn)生了較大影響。

圖2　結(jié)構(gòu)計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)圖

(a)方案1　　　　　　　(b)方案2圖3　彎矩對(duì)比圖(SAP84)

圖4　彎矩相對(duì)改變量柱狀圖(SAP84)

表3中，中柱的內(nèi)力幾乎沒有變化，這是由于方案2只改變了側(cè)向的荷載，而對(duì)豎向荷載沒有進(jìn)行改變，雖然結(jié)構(gòu)在受力中產(chǎn)生的變形會(huì)使橫向荷載對(duì)其在豎向產(chǎn)生影響，但是由計(jì)算結(jié)果來看，這一影響可忽略不計(jì)，即橫向荷載的改變不影響主體結(jié)構(gòu)的豎向的受力狀態(tài)(荷載方向的獨(dú)立性)。

另外，在表3側(cè)墻截面中，中部位置(圖2、圖4和圖5中關(guān)鍵點(diǎn)11)的內(nèi)力發(fā)生了較大偏差。分析原因：由于方案1中，側(cè)墻與連續(xù)墻之間的連接桿件設(shè)置為兩端鉸接只受壓形式，而在受力階段，側(cè)墻中下部位處的部分壓桿受拉，既壓桿受力為0，導(dǎo)致連續(xù)墻上所施加的側(cè)向土壓力未能充分傳遞至主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻，使此部分側(cè)墻受力相對(duì)偏小；而方案2中，將側(cè)土壓力全部作用于側(cè)墻，因此在這個(gè)部位上的受力產(chǎn)生了較大變化，而表3中的數(shù)據(jù)比較也較好的反應(yīng)出了這一變化。此外，在這一部位，彎矩剪力發(fā)生較大變化的同時(shí)，而軸力卻幾乎不變，分析可能原因有兩個(gè)：一是受壓桿只受軸力，消除了彎矩對(duì)豎向變形的影響；二是由上文中柱內(nèi)力變化得出的結(jié)論來看，結(jié)果也是合理的。

表2　板截面內(nèi)力對(duì)比(SAP84)

注：表中各個(gè)單元格，上部為原方案內(nèi)力值，下部為比較方案內(nèi)力值，括號(hào)內(nèi)為修改方案角較原方案的相對(duì)改變量，下同。

表3　側(cè)墻截面及中柱內(nèi)力對(duì)比(SAP84)

圖5　剪力相對(duì)改變量柱狀圖(SAP84)

4.2ANSYS計(jì)算結(jié)果及分析

方案1中，連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)采用link10桿單元連接，彈性模量取為3×1010Pa，以使連續(xù)墻與側(cè)墻的變形更加合理，內(nèi)力分布更加連續(xù)[5]。同樣，約束連續(xù)墻底端的所有位移，并約束底板中部節(jié)點(diǎn)的豎向位移(模擬抗拔樁的作用)；方案2則在方案1的基礎(chǔ)上，刪去連續(xù)墻與連接桿，并施加土壓力與水壓力于主體結(jié)構(gòu)。

彎矩計(jì)算結(jié)果對(duì)比見圖6，可見，結(jié)構(gòu)各部位變形曲線基本一致。這也很好的復(fù)核了SAP84的計(jì)算結(jié)果曲線。結(jié)構(gòu)各部位內(nèi)力相對(duì)改變量的大小見圖7和圖8，結(jié)構(gòu)各部位內(nèi)力值見表4和表5。對(duì)比可知，關(guān)鍵部位內(nèi)力值基本一致，存在部分部位內(nèi)力值(側(cè)墻中部，即計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)11)，方案2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方案1。在結(jié)構(gòu)各構(gòu)件內(nèi)力最大值處(黑體字)，方案2基本大于方案1。

(a)方案1　　　　　　　　(b)方案2圖6　彎矩對(duì)比圖(ANSYS)

圖7　彎矩相對(duì)改變量柱狀圖(ANSYS)

圖8　剪力相對(duì)改變量柱狀圖(ANSYS)

構(gòu)件截面彎矩/MN·m剪力/MN頂板邊支座0.9890.847(-14.3%)0.7740.753(-2.7%)跨中0.8160.859(5.3%)—中間支座1.1211.177(5.0%)0.8020.823(2.6%)中板邊支座0.2380.267(12.2%)0.1330.138(3.8%)跨中0.0960.089(-7.3%)—中間支座0.1590.151(-5.0%)0.1180.113(-4.2%)底板邊支座1.0191.102(8.14%)0.8320.841(1.1%)跨中0.6670.642(-3.7%)—中間支座1.1331.101(-3.2%)0.7280.841(15.5%)

表5　側(cè)墻截面及中柱內(nèi)力對(duì)比(ANSYS)

表5中，側(cè)墻截面中部內(nèi)力值(關(guān)鍵點(diǎn)11)出現(xiàn)了較大偏差，此情況與SAP84計(jì)算結(jié)果分析很好的吻合，由此說明：連續(xù)墻與側(cè)墻之間的部分壓桿在結(jié)構(gòu)受力階段受力為0(查看單元內(nèi)力值所得，即壓桿為受拉情況)，的確對(duì)這部分側(cè)墻的受力產(chǎn)生了較大影響。

表5中，各部位的軸力說明了本文4.2章節(jié)所得出的結(jié)論：橫向荷載的改變基本不影響主體結(jié)構(gòu)的豎向受力狀態(tài)。

5結(jié)論

(1)通過兩個(gè)軟件對(duì)有無圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況下主體結(jié)構(gòu)的受力結(jié)果比較，得知結(jié)構(gòu)內(nèi)力曲線趨勢基本一致。其中：圍護(hù)結(jié)構(gòu)的有無對(duì)側(cè)墻的內(nèi)力影響十分明顯，尤其是側(cè)墻中部，且無圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況下得到的內(nèi)力值大得多，部分甚至接近2倍大小；而通過側(cè)墻部位以及中柱的軸力值變化可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的有無對(duì)主體結(jié)構(gòu)豎向軸力的影響卻甚微。

(2)通過2個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，若以無圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況下得到的內(nèi)力結(jié)果作為基礎(chǔ)，對(duì)側(cè)墻部位內(nèi)力值結(jié)果乘以一定的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即可得到較為準(zhǔn)確的有圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況下的車站內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，并可以此作為車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果值。由于本次建模計(jì)算只為初步分析，具體系數(shù)及相關(guān)算式有待之后進(jìn)一步的研究。

(3)當(dāng)下的車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算建模基本以文中的方案1為主(即有圍護(hù)結(jié)構(gòu))，建模流程較為復(fù)雜，且存在部分參數(shù)的選取疑難點(diǎn)等問題；而不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)，直接對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，不但可以大大縮減建模的流程，并且使得到的內(nèi)力曲線圖更加連續(xù)合理。因此筆者認(rèn)為，上述結(jié)論二中提到的方案具有很大的研究價(jià)值，有望對(duì)今后車站建模計(jì)算流程的簡化提供一定的參考。

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[作者簡介]李玉瓊(1980～)，女，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事軌道交通投資及軌道交通建設(shè)管理工作。

【中圖分類號(hào)】TU312+.1

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2015-11-10