無柱拱形車站中板結構受力特性數值分析★

馬 建 民

(上海軌道交通15號線發展有限公司，上海 200000)

0 引言

在當今城市急速發展的時代，地下空間開發顯示出獨特的優越性，其中城市地鐵交通系統起著舉足輕重的作用。隨著地鐵運營里程的不斷增加，對車站的便捷性、舒適性、美觀性提出了更高的要求。現代地鐵車站將以大空間、大跨度、注重功能安全和舒適實用為發展方向。為了提高地下空間利用率，提升乘客體驗，無柱車站方案被提出[1-3]。

不少學者針對無柱地下車站開展了研究，孫俊利[4]以北京車公莊站設計為例，通過結構計算、工程類比等輔助手段，確定大跨單拱無柱的設計方案；張世榮[5]以南寧富水圓礫地層為工程背景，通過試驗研究與數值模擬研究無柱大跨地鐵車站結構方案的優化與耐久性；鐘波波等[6]通過數值模擬研究了典型無柱地鐵車站在地震作用下的動力響應。

無柱大跨地下車站建設的難點在于其新型的結構形式的受力特性尚不明確，另外，需采取特殊的結構工法以保證施工的順利進行[7,8]。無柱大跨地鐵車站站廳層，即中板結構的受力特性與常規車站中板結構具有較大差異，開展相關研究具有重要意義。本文將以上海地鐵15號線吳中路站大跨度無柱車站為背景，以數值模擬為研究手段，研究其中板結構在復雜工況下的受力特性。

1 工程概況

15號線吳中路站位于徐匯區桂林路下方，沿桂林路南北向布置。車站主體結構西側為上海市自來水市南有限公司泵站管理所，東側為申通集團，車站南側有兩座110 kV高壓鐵塔。根據區域地質資料，場地屬穩定場地，地勢平坦，地基軟土基本上成層分布，未跨越不同地貌單元或地質單元，場地地基穩定。

吳中路車站主體結構截面如圖1所示，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層。車站中心里程SK21+533.921，主體規模170 m×(19.8 m～24.4 m)(內徑)，站臺中心處頂板覆土約4.1 m，底板埋深約19.5 m，站中心軌面標高為-13.053 m。

吳中路無柱大跨地鐵車站采用拱形頂板設計，頂板大跨拱結構在上覆土作用下產生的水平推力通過側墻傳遞，而水土側壓力不足以平衡該水平推力，從而造成中板受拉。車站主體施工完成后，恢復道路進行附屬施工。頂板拱結構在附屬基坑開挖過程中內力重分布，拱腳變形，從而產生附加水平推力，通過地連墻傳遞，最終由中板平衡，中板的受拉進一步增加，中板—地連墻連接接頭和中板甚至將處于拉彎受力。圖2，圖3分別為吳中路站中板結構、受拉中板—地連墻節點的結構與配筋簡圖。

2 數值模擬

2.1 本構模型

本文數值模擬采用大型有限元軟件ABAQUS，混凝土為彈塑性損傷本構，等級為C35，其應力—應變關系曲線如圖4和圖5所示；鋼筋為理想彈塑性本構，如圖6所示；地下連續墻選用彈塑性本構，如圖7所示。

2.2 中板結構與中板—地連墻節點模型

受拉中板的三維數值模型如圖8所示，其中數值模型計算跨度取為1.0 m。荷載方面，考慮標準值和設計值兩種工況，根據設計內力，中板軸力標準值為1 800 kN，中板上部均布活荷載標準值為10 kN/m，重力為10 N/kg。荷載設計值是由荷載標準值乘以1.1(結構重要性系數)，再乘以1.35(荷載分項系數)得到，即為標準值的1.485倍。

中板—地連墻節點的三維數值模型如圖9所示，在荷載標準值作用下，中板上部均布活荷載為10 kN/m，地連墻在中板上方節點處彎矩M側=2 544 kN·m，剪力F=1 413 kN，地連墻在中板下方節點處彎矩M側=1 700 kN·m，剪力F=364 kN。將以上力分別按照力與力臂的加載原則，按照力臂長度與力大小，模擬節點處剪力與彎矩。

3 結果分析

3.1 受拉中板受力變形分析

由于荷載標準值和荷載設計值兩種工況只有在具體的荷載值上有區別，兩種工況計算下結構受力變形體現出來的規律是一致的，接下來以荷載標準值工況為例，介紹中板的受力變形情況。圖10為中板結構混凝土部分的應力應變云圖，中板混凝土整體受拉，僅兩端下部與跨中上部局部受壓，中板跨中附近下部與兩端上部相比其他部位受力較大，其中中板兩端與地連墻連接處上部受力最大，是最危險部位，需要加強。

圖11為中板結構鋼筋部分的應變云圖，鋼筋整體受力情況與混凝土基本一致，整體上受拉；上側鋼筋兩端與下側鋼筋跨中受拉較大，角部鋼筋受力相比縱筋較小。最大鋼筋拉應力出現在上側鋼筋一端，荷載標準值、設計值作用下分別達到201.1 MPa，310.7 MPa，接近鋼筋屈服強度，其余鋼筋未達到屈服狀態。

圖12為受拉中板的整體變形云圖，中板變形以豎向位移為主，跨中撓度最大，荷載標準值、設計值作用下受拉中板跨中截面撓度分別達到了41.0 mm，72.3 mm，分別占跨度23 m的1/560，1/318。

3.2 中板—地連墻節點受力變形分析

圖13為中板—地連墻節點結構混凝土部分的應力應變云圖，從圖13可知，中板—地連墻節點結構受力特性與中板結構保持一致，上部與中板跨中附近下部混凝土與鋼筋受拉較大，其中中板—地連墻節點上部受力最大，是最危險部位，需要加強。上部鋼筋節點處拉應力最大，在荷載標準值、設計值作用下分別達到208 MPa,325 MPa。

圖14為中板—地連墻節點的變形云圖，中板—地連墻節點處變形非常小，幾乎接近0，跨中位移最大，跨中撓度在荷載標準值、設計值作用下分別達到41.9 mm，71.6 mm。節點受力變形的數值結果與中板結構一致，互相驗證。

4 結語

本文采用有限元軟件ABAQUS建立了上海15號線吳中路站無柱大跨拱形車站受拉中板與中板—地連墻節點的三維數值模型，并開展了荷載標準值和設計值兩種工況下的數值分析，主要結論如下：

1)受拉中板變形以豎向位移為主，跨中撓度達到最大值。在荷載設計值作用下中板跨中撓度可達72.3 mm，占跨度23 m的1/318。

2)中板結構混凝土部分整體受拉，僅兩端下部與跨中上部局部受壓，兩端上部與跨中下部受拉應力較大，其中中板—地連墻節點上部拉應力最大，是最危險部位。

3)中板結構鋼筋受力特性與混凝土基本一致，兩端節點處上部鋼筋拉應力較大，跨中下部鋼筋應力較小，角筋應力最小；除了在荷載設計值作用下兩端節點上部鋼筋處應力(325 MPa)接近屈服應力，其余部位鋼筋均未達到屈服狀態，再次說明了中板—地連墻連接處上部受力最大，是最危險部位，需著重加強。