某城市地铁车站风井结构分析

余 灏， 程远志， 王 飞

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

某城市地铁车站风井结构分析

余 灏， 程远志， 王 飞

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

文章以某城市地铁车站风井为例，建立结构平面应变分析有限元模型，对结构的应力、位移、变形和内力进行结构计算，得出结构的强度安全系数及结构裂缝宽度，确定和验证了支护方式。用有限元数值方法对风井结构模拟计算能较真实地反映结构的内力和变形情况，可以用于对结构安全性能进行评价，为类似结构设计提供科学依据。

地铁车站；风井；结构；计算

目前，伴随着岩土力学的发展，有限元法已成为发展最迅速的用于结构分析的数值计算方法之一[1]。本文以某城市地铁车站风井为例，建立结构平面应变分析有限元模型，对结构的应力、位移、变形和内力进行结构计算，得出结构的强度安全系数及结构裂缝宽度，进而为确定和验证结构支护方式提供依据[2-3]。

1 工程概况、结构模型及荷载计算

车站原始地貌属构造剥蚀丘陵区，后经人工改造为城市主干道，场地已整平，地形由起点平缓上升。地形、地貌特征简单。车站采用明挖法开挖。

风井设于车站起点，结构形式为竖井兼活塞风井。地下结构断面需满足通风面积及行车限界要求，同时断面结构之上还有城市主干道通行。

风井断面采用明洞断面，根据文献[4-5],计算采用荷载-结构法，假定构件为小变形弹性梁，离散为足够多个等厚度直梁单元。建立风井衬砌断面模型，如图1所示。

图1 风井结构计算图式

2 衬砌结构内力及安全系数

基于温克尔假定的弹性地基梁法认为地层的弹性抗力与结构的变位成正比，据此采用弹簧来模拟荷载和结构的相互作用[6]，用布置于模型各节点上的弹簧单元来模拟荷载和结构的相互作用性[7]。计算采用有限元软件Ansys分析，用BEAM3单元模拟结构，用COMBINl4弹簧单元模拟荷载与结构的相互作用，对结构进行数值模拟如图2～图5所示。

图2 风井结构弯矩图

图3 风井结构轴力图

图4 风井结构剪力图

图5 风井结构变形图

对结构模型提取内力结果，参照文献[4]，结构按“破损阶段”法计算安全系数，并验算裂缝宽度。对风井结构型式进行结构验算，如表1所列(取不同部位)。

表1 安全系数检算表

3 结 论

通过对风井结构二维有限元数值模拟分析，得出以下主要结论[8-12]：

(1) 从结构的轴力、弯矩图可以看出，对于同一厚度的结构，边墙和底板的轴力比较大，而边墙与底板连接处的弯矩和剪力都特别大，有应力集中现象。

(2) 通过结构型式计算，可知该车站风井的设计支护结构是安全可靠的，选用的设计支护参数也是合理的。

(3) 用有限元数值方法对地下结构进行分析计算能较真实地反映结构的内力和变形情况，也可以用于对结构安全性能进行评价。

[1] 蒋孝煜.有限元法基础[M].北京：清华大学出版社，1984.

[2] 周 德.基于Ansys的云桂铁路软岩偏压隧道数值模拟语分析[J].大众科技,2011 (11): 82～83.

[3] 冯文文，李守巨，刘迎曦. 隧道衬砌结构安全性的有限元数值模拟分析[J]．科学技术与工程，2008，8(3):703～707.

[4] TB 10003-2005, 铁路隧道设计规范[S].

[5] GB 50157-2013, 地铁设计规范[S].

[6] 赵尚毅，郑颖人，宋雅坤，等．地下隧道衬砌结构内力计算方法探讨[J]．后勤工程学院学报，2007，23(4):29～33．

[7] 李 围.隧道及地下工程Ansys实例分析[M]．北京：中国水利水电出版社，2008.

[8] 吴连波，梁 波，黄友林．基于Ansys的隧道支护结构参数优化分析[J]．交通标准化，2008(2～3):92～94．

[9] 李兴国，陈立强，赵东寅．基于Ansya荷载结构法的浅埋明挖隧道受力分析[J]．采矿技术，2008(5):37～39.

[10] 王 锋.隧道结构Ansys有限元分析与研究[J].西部探矿工程,2012(2):189～191.

[11] 张德恒.开挖隧道支护结构的数值模拟研究[J].南京工程学院学报(自然科学版),2011，9(2):48～51．

[12] 管海涛，邓荣贵，孙冬丽．隧道围岩与支护结构相互作用的数值模拟分析[J]．四川建筑，2005,25(6):53～54．

遗失声明

安徽同济德渡机械设备租赁有限公司的安全生产许可证(副本)遗失。编号：(皖)JZ安许证字[2006]001584-2-1。特此声明作废。

2016年11月1日

安庆五一电器安装有限公司许明同志的安全生产考核合格证书遗失。证书编号：皖建安C(2014)0181069。特此声明作废。

2016年10月19日

2016-09-09；修改日期：2016-09-12

余 灏(1979-)，男，安徽霍邱人，安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司高级工程师．

U231.4

A

1673-5781(2016)05-0620-02