地鐵車站端頭井環框梁計算優化分析

黃河，方偉 （機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043）

0 前言

隨著我國社會經濟的不斷發展，城市軌道交通的建設進入了快速發展時期。國內軌道交通車站以明挖法施工為主，為滿足盾構設備使用要求，通常在車站兩端設置端頭工作井。施工期間，端頭井因吊裝設備，難以設置內撐，在車站端頭井設置一圈框架梁提高端部結構水平抗彎剛度，可保證結構安全穩定。目前國內軌道交通行業工程師結合工程實踐進行了大量的施工仿真模擬及分析，驗證施工方案的可行性[1-5]。本文以合肥市地鐵3號線界首路站為例，采用三維有限元模型和二維模型進行數值模擬計算，結合工程經驗總結端頭井環框梁的數值計算方法和構件設計經驗。

1 工程概況

該車站主體為地下二層單柱雙跨（局部雙柱三跨）島式站臺車站，主體結構采用鋼筋混凝土箱形框架結構。車站采用明挖順做法施工，主體圍護結構采用鉆孔灌注樁+內支撐支護體系，標準段基坑平均深度約17m（西側盾構井段17.95～18.18m，東側盾構井段 21.93～22.06m），覆土厚度2.75～4.42m。車站兩端均為盾構區間，大里程端左線盾構井為盾構始發提供條件，右線盾構井為盾構接收提供條件，小里程端盾構井為盾構調頭提供條件。

根據地勘報告，場地范圍內土層自上而下分別為人工填土、黏土、粉砂、粉土、全風化泥質砂巖、強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖。擬建工程區內地下水主要為上層滯水，地下水資源較貧乏。

根據地鐵設計規范、混凝土設計規范及全線技術要求，兩端盾構井開孔尺寸均為11.5m×7.5m，結構尺寸頂板厚900mm，中板厚400mm，底板厚1000mm，混凝土等級為C40（中板、中板梁C35），主筋選用HRB400級。盾構井平面、橫剖面見圖1～圖2。

圖1 端頭井頂板平面圖

圖2 端頭井剖面圖

2 模型建立

計算采用施工工況，側墻主要承受的水平荷載主要是①側向土壓力②水壓力③路面超載引起的側壓力。計算時，土體側壓力系數根據勘察報告取加權平均值0.47。

模型以東端頭井為例，采用有限元分析軟件SAP84建立端頭井環框梁的平面二維模型，施工階段，側墻、環框梁先施工，端頭井頂板、中板暫不澆筑。模型中不考慮環框梁與標準段各層板的相互作用，將環框梁作為受力構件單獨研究，且模型中不考慮側墻作用。二維模型邊界條件：①環框梁沿車站縱、橫向交接處為剛性連接，梁與扶壁柱交接處為剛性連接；②端部約束為固定約束；③施工階段側向土壓力及地面超載形成的側向壓力全部由環框梁承擔。

側向土壓力計算時，按照板帶劃分的理論，頂板梁、中板梁各自承擔鄰近板帶一半的荷載。地面超載按照實際作用寬度折算成單寬線荷載，再乘以其鉛錘方向作用高度，作用于車站側墻。因施工期間降水后水位位于底板以下，故環框梁計算不考慮水壓力。端頭井臨時環梁二維計算模型見圖3。

圖3 二維模型示意圖

采用M idas Gen建立車站端頭井三維模型，邊界條件為：①車站側墻、端墻及底板均設置正方向僅受壓彈簧；②標準段板墻端部設置XY方向平動約束。

平面框架結構主要依靠梁柱體系承擔荷載，而三維模型整個受力體系中，端頭井段由側墻、環框梁承擔荷載，標準段由墻、板承擔荷載。M idas模型中，將墻、板構件進行網格劃分，面荷載采用均布荷載的形式作用在板、墻構件上，使其與梁、柱體系共同受力。

圖4 三維建模示意圖

3 結果分析

車站端頭井段結構強度應按承載能力極限狀態計算，參照施工階段工況，按荷載基本組合的效應設計驗算。二維計算結果中，框架結構的端部彎矩，考慮板、柱支撐寬度的影響，通常設計人員會采用削峰公式M=M 0-V*b/2計算后的結果彎矩M進行截面設計。

兩種維度的計算模型下，彎矩和配筋結果對比見下表。

圖5 環框梁三維模型內力云圖

由數值模擬結果對比可見，二維模型通常比三維整體模型計算得出的內力更大，構件配筋增加較為明顯。筆者認為有以下兩方面原因：①二維模型假定的是梁交接處為剛性連接，剩余端部支座也均為固支，這就造成固端彎矩計算結果偏大，三維模型計算結果表明，梁與壁柱端節點、和標準段交接節點處均產生位移，對比固端節點其彎矩大幅降低，構件配筋更經濟；②三維模型考慮側墻剛度，墻與框梁協同受力，而二維模型則不考慮側墻作用，荷載全部由環框梁承擔。

端頭井環框梁計算模型結果對比

4 結論及建議

本文以合肥地鐵3號線車站為實例，對端頭井環框梁進行數值模型計算，得出如下結論。

①二維模型中，地面超載按照實際作用寬度折算成單寬線荷載，再乘以其鉛錘方向作用高度，作用于車站側墻，模型偏保守。三維模型將地面超載以面荷載的形式直接作用于側墻上，相對合理。實際盾構施工過程中，極易產生豎向裂縫，建議設計時應適當加強側墻分布鋼筋。

②三維計算結果顯示，端頭井擴大處存在水平位移，在二維計算中，此處假定為固定支座，無位移。工程師在實際設計時應加強端頭擴大端轉角處結構措施并設置轉角暗柱，注意此處構件的受力分析，做好裂縫控制措施。

③計算結果表明，三維受力模型中，端頭井環框梁的實際彎矩小于二維計算結果。二維計算方法下，環框梁的尺寸及配筋結果較大，僅從本次計算結果看，二維計算仍有約30%優化余地。但在實際工程應用中，綜合考慮構件經濟配筋率及工程安全經驗，仍需在三維計算的基礎上預留一定安全儲備。