地鐵車站端頭井計算分析

姜立任

1 工程概況

某地鐵車站為地下二層13m島式站臺，雙層三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，有效站臺長120m，標準段總凈寬21.7m，車站總凈長485.610m，主體結(jié)構(gòu)頂板覆土約3.50m，車站標準段開挖深度約為18.2m，端頭井開挖深度約為20.7m，基坑底板主要位于砂質(zhì)粉土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土中。圍護結(jié)構(gòu)標準段和端頭井分別采用800mm厚、1000mm厚地下連續(xù)墻，標準段和端頭井內(nèi)襯墻厚分別為700mm和800mm，復(fù)合墻結(jié)構(gòu)。本車站小里程端為盾構(gòu)始發(fā)端，大里程端為盾構(gòu)接收端。

2 荷載計算

取左邊小里程處端頭井進行計算，采用自重工況和水反工況分別計算配筋；主要考慮頂板覆土荷載、各層板自重、車輛荷載、吊頂荷載、地面超載、設(shè)備荷載、樓面活荷載、隔墻及裝修荷載、水反力荷載、地震荷載以及人防荷載等，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009－2012）各項組合分項系數(shù)進行荷載組合，荷載計算結(jié)果如下。

圖1 重力工況計算簡圖

3 模型建立及內(nèi)力計算分析

圖2 水反力工況計算簡圖

車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，計算按照平面應(yīng)變假設(shè)，采用荷載—結(jié)構(gòu)模式，計算軟件采用通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件SAP2000進行計算，根據(jù)結(jié)構(gòu)所處地層，邊界采用彈性地層模式。結(jié)構(gòu)按施工過程采用“增量法”進行受力分析，開挖期間圍護結(jié)構(gòu)作為支擋結(jié)構(gòu)，承受全部的水土壓力及路面荷載，使用階段和主體結(jié)構(gòu)一起承載。施工階段受力分析模擬了施工過程，遵循“先變位，后支撐”的原則，在計算中計入結(jié)構(gòu)的先期位移值及支撐變形，采用彈性有限元法進行結(jié)構(gòu)計算，地基對結(jié)構(gòu)的作用采用分布水土壓力及一系列不能受拉的彈簧進行模擬，最終的位移及內(nèi)力值為各階段累加值。使用階段將結(jié)構(gòu)視為底板置于彈性地基上的平面框架進行分析。施工階段驗算時，土荷載應(yīng)采用主動土壓力，水土分算。根據(jù)鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范6度區(qū)地下建筑物不考慮地震計算，同時通過其他類似工程的比較，有一定覆土的小跨度地下建筑物不考慮地震作用組合；本工程不考慮地震作用。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計使用年限為100年；結(jié)構(gòu)混凝土強度等級：頂板、底板、側(cè)墻采用C35、P8，中板采用C35，柱采用C50，鋼筋均采用HRB400級鋼筋，頂板、側(cè)墻、底板鋼筋凈保護層厚度外側(cè)45mm，內(nèi)側(cè)35mm，樓板受力鋼筋凈保護層厚度為30mm，主梁鋼筋凈保護層厚度為45mm，柱受力鋼筋凈保護層厚度為40mm。具體模型及計算結(jié)果如下。

4 配筋結(jié)果對比

在荷載取值一致、荷載工況組合等一樣情況下，通過SAP2000分別進行二維、三維計算，分別讀取頂板、底板、中板計算結(jié)果彎矩進行配筋分析，具體如下：

圖3 二維計算模型

圖4 三維計算模型

圖5 二維計算結(jié)果

（1）二維計算結(jié)果如表1。

（2）三維計算結(jié)果如表2。

表1、表2結(jié)果均采用準永久組合彎矩包絡(luò)情況下的板截面裂縫寬度驗算。

5 結(jié)論

圖6 三維計算結(jié)果

表1

表2

二維縱向鋼筋根據(jù)板厚最小配筋率及構(gòu)造要求去配置，則二維與三維在中板配筋結(jié)果差別不大，頂板配筋稍有差別，但底板配筋結(jié)果差別較大，通過對車站端頭井進行二維、三維計算分析結(jié)果表明，地鐵車站盾構(gòu)端頭井受力具有明顯空間特征，梁、板、墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力復(fù)雜，對計算模型進行合理簡化，采用三維空間模型計算分析，可避免由于平面簡化模型對板側(cè)向剛度的不合理假定而造成的計算失真現(xiàn)象，更經(jīng)濟、更合理，因此，對地鐵車站盾構(gòu)端頭井設(shè)計采用三維有限元分析計算更符合其受力特征，建議以后地鐵車站盾構(gòu)端頭井均采用三維有限元計算分析。

[1]黎鉅宏，盛建龍，鄧靜，王淇.地鐵車站端頭盾構(gòu)井的空間分析.都市快軌交通，2013，26（6）：73～77.

[2]李銘軍.地鐵車站端頭井內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體計算.地下工程與隧道，2006（2）：53～54.

[3]《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009－2012）.