基于空间计算的地铁明挖车站受力规律分析

吴 昊

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)



基于空间计算的地铁明挖车站受力规律分析

吴 昊

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

以某地铁明挖车站为例，采用ANSYS空间整体模型，计算分析了在不同覆土厚度、不同基础持力边界条件下，车站主要结构构件的内力变化规律，得出了一些有价值的结论，为地铁车站施工提供了依据。

地铁车站，ANSYS，覆土厚度，基础持力层

目前，地铁在各大城市得到了大力发展，地铁建设方法、各技术环节和施工经验日益成熟。我国已建和在建地铁车站采用明挖法施工居多，而明挖法车站一般情况下采用矩形框架结构。明挖矩形框架结构的计算方法、荷载模型目前较为统一，常规设计中结构内力一般采用电算分析，板、墙通常采用二维简化横向模型进行模拟分析，梁、柱通常采用二维纵向模型进行模拟分析，计算结果基本能够满足施工图设计需要，但计算精度不如整体空间模型。

构件尺寸及配筋通常需要计算结构内力后确定，但日常设计过程中，往往需要短时间内确定构件尺寸及配筋，因此，如果掌握了结构在不同荷载边界条件下的受力规律，就能迅速、准确的确定构件尺寸及配筋，提高工作效率和技术精度。

1 计算方法、荷载条件及计算模型简述

1.1 计算方法、荷载条件

计算方法以荷载结构法为基准，顶板、侧墙不考虑与地层的协同工作，地层荷载折算成土压力后直接施加于结构面；结构基础底板考虑与地层的协同工作，其与持力层的共同工作关系采用文克尔地基模型进行模拟，即底板承受基础持力层变形产生的弹性抗力，弹性抗力=持力层变形×基床系数。

由于主要研究结构构件的受力规律，因此，对荷载条件做如下设定：1)抗浮水位取至地面；2)土层容重统一按20 kN/m3考虑；3)不考虑站台板荷载、列车荷载等有利荷载；4)迎土面结构构件主要考虑承受外部地层荷载，不考虑装修、管线吊装等内部荷载；5)中板按设备荷载8 kPa、人群荷载4 kPa考虑。

1.2 计算模型

采用通用有限元计算软件ANSYS进行模拟分析，板、墙采用壳单元Shell63进行模拟，梁、柱采用杆单元Beam4进行模拟。

Shell63单元在文克尔地基模型中具有直接模拟壳体与地基协同工作的工作参数，无需施加额外弹簧单元。梁、柱结点处Shell63单元和Beam4单元采用MPC148刚性单元进行连接，可实现梁的上翻、下翻模拟，更接近实际工况。

以两柱三跨双层标准明挖矩形框架结构为例进行分析，空间模型共取8个柱跨，每跨均按9 m计，结构模型见图1。

2 顶板覆土厚度影响分析

按照常规概念理解，顶板覆土厚度是较为重要的一个外部荷载边界条件，对框架各构件的内力影响较大。选取3.0 m，4.5 m，6.0 m三个不同覆土厚度进行计算，分析在不同覆土厚度条件下车站中柱、纵梁、板、墙的受力规律。

2.1 对车站中柱影响

柱在框架体系中是最重要、最经济的结构构件。主要内力为轴力。

柱顶—柱与顶板连接结点，柱底—柱与底板连接结点。

根据图2,图3，柱轴力存在如下受力规律：

1)各覆土厚度条件下，中柱轴力均比边柱轴力大。

2)随覆土增加，柱底轴力与柱顶轴力的比值逐渐减小。例如本例中：覆土3.0 m时为1.31，覆土4.5 m时为1.23，覆土6.0 m时为1.18。

3)随覆土增加，柱底、柱顶轴力均按相同线性比例增大。例如本例中：覆土每增加1 m，柱底、柱顶轴力均增加约1 650 kN。

2.2 对车站纵梁影响

纵梁为框架体系中主要承载构件。纵梁一般按纯弯构件计算，主要内力为弯矩。

根据图4，图5，纵梁弯矩存在如下受力规律：

1)随覆土增加，顶、底纵梁弯矩均增大且增加量较大，中纵梁弯矩减小但减小量很小，几乎可以忽略不计。

2)随覆土增加，顶、底纵梁弯矩增长呈线性趋势，顶纵梁增长量比底纵梁大。例如本例中：覆土每增加1 m，底纵梁弯矩增加约373 kN·m，顶纵梁弯矩增加约413 kN·m。

2.3 对车站板、墙影响

板、墙构件体量较大，因此其结构尺寸和配筋参数对整个框架造价影响较大。板、墙受压较大时，可按压弯构件计算，但为统计受力规律，本文设定板、墙均按纯弯构件计算，主要内力为弯矩。

根据图6,图7，板、墙弯矩存在如下受力规律：

1)随覆土增加，顶、底板弯矩均增大且增加量较大，中板弯矩减小但减小量很小，几乎可以忽略不计。

2)随覆土增加，顶、底板弯矩增长呈线性趋势，顶板增长量比底板大。例如本例中：覆土每增加1 m，底板弯矩增加约99 kN·m，顶板弯矩增加约109 kN·m。

3 基础持力层影响分析

底板基础持力层越坚硬，基床系数越大。基床系数分别取50 MPa/m，200 MPa/m，500 MPa/m，对应地层相当于土层、强风化层、中风化岩层。

根据图8，图9，底纵梁弯矩存在如下受力规律：

1)随基床系数增大，底纵梁弯矩减小且减小量较大，顶、中纵梁弯矩减小但减小量很小，几乎可以忽略不计。

2)随基床系数增大，底纵梁弯矩减小呈微弱非线性趋势，例如本例中：基床系数50 MPa/m～200 MPa/m时，每增加1 MPa/m，底纵梁弯矩减小1.44 kN·m，基床系数200 MPa/m～500 MPa/m时，每增加1 MPa/m，底纵梁弯矩减小0.92 kN·m。

基床系数增大，板、墙、柱主要内力均呈现减小趋势，但减小量极小，不影响构件尺寸及配筋，因此可忽略不计。

4 结论与体会

本文以两柱三跨双层明挖矩形框架结构为例，通过对不同覆土厚度、不同基础持力层条件下各构件内力的计算和分析，得出了构件的内力变化规律，由于计算以弹性理论为基础，因此，这些变化规律具有普遍性。

由于侧墙荷载变化对各构件的内力影响较小，因为本文未细述，其具体受力规律为：当侧墙荷载减小时，板、梁、柱主要内力均增大，但增加量均不大，相对来讲，侧墙荷载对板、墙主要内力影响相对梁柱来说稍大。

本文得出的仅是趋势化的受力规律，量化的受力规律需结合具体框架形式确定。建议可以针对具体框架形式，根据趋势化的受力规律编制荷载—内力图表，这样，不通过计算，就可以精确确定构件内力、尺寸及配筋，进而可以简化设计程序，提高工作效率。

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Analysis for stress rule of open-cut metro station on spatial computation model

Wu Hao

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd,Tianjin300133,China)

Taking the open-excavation subway station as an example, applying ANSYS spatial integral model, the paper analyzes internal force changing law of major subway station structure components under conditions of different soil-covering stratum thickness and different fundamental bearing boundary, and obtains some valuable conclusions, which has provided some basis for subway station construction.

subway station, ANSYS, thickness of covering soil, fundamental bearing stratum

1009-6825(2016)10-0178-04

2016-01-26

吴 昊(1983- )，男，硕士，工程师

U455

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