明挖地铁车站结构计算影响因素分析

杨剑飞，杨其新，蒋雅君，刘清文

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，土木工程学院，成都 610031；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088;3.中设设计集团股份有限公司，南京 210014)



明挖地铁车站结构计算影响因素分析

杨剑飞1，3，杨其新1，蒋雅君1，刘清文2

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，土木工程学院，成都 610031；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088;3.中设设计集团股份有限公司，南京 210014)

以某明挖地铁车站为例，运用ANSYS参数化设计语言APDL建立了多种主体结构计算模型。对比结构计算过程中各因素对计算结果的影响，包括主体结构形式、地层分层、围护结构、计算模型尺寸、混凝土强度等级5个方面的计算和其他影响因素的定性分析。结果表明，是否考虑围护结构受力对结构计算影响明显，尤其是侧墙内力值差异很大；地层差异明显时如继续按加权平均计算土压力，会使底板和下侧墙内力产生明显差异；混凝土等级对结构受力影响较小，局部会产生内力偏差，但影响有限。最后针对以上各因素的影响，提出结构设计处理建议。

明挖地铁车站；APDL；结构计算模型；影响因素

在明挖地铁车站的结构设计中，结构计算作为地铁结构设计的基础，计算模型的正确合理性，决定了结构安全和经济性。王呼佳[1]对结构计算中几个关键问题进行了探讨，王博[2]、杨瞻梦[3]基于三维车站模型分析得到了空间内力解，席雷[4]、王敏[5]、乔海超[6]等研究了地铁车站主体结构内力变形规律，此外王雯[7]、黎钜宏[8]对梁板刚度比和梁柱刚度比等因素进行计算分析。研究成果表明，主体结构内力计算结果受诸多因素影响，不同设计人员建立模型，内力计算的结果往往或多或少存在差异，从模型建立，到工况组合，再到内力分析的各个过程都有可能存在一定影响。

目前，关于地铁明挖车站结构计算的研究资料较多，虽然取得一定的研究成果但还不够系统，如对土压力是否分层、是否考虑围护结构对结构内力结果的影响等问题往往并没有细致考虑。

以某地铁车站为依托工程，建立二维平面结构计算有限元模型，对结构形式、地层分层、有无围护结构、模型尺寸、混凝土强度等级5个方面系统地进行计算和分析，并对其他影响因素进行总结。

1 工程设计简介

1.1 工程概况

本站为地下二层岛式站台车站，采用明挖顺作法施工，总长188 m，标准段宽20 m，连续墙结构形式为复合墙。车站中心顶板覆土厚度为3.0 m。

1.2 工程地质及水文地质情况

经勘查，拟建场地第四纪地层发育，厚度达80 m，成因类型以海相沉积为主，总体特征为：沉积物粗细规律变化明显，呈自老至新粒度变细。按成因类型、土层结构及其性状特征共划分为8层，各土层厚度及物性参数见表1，场地地区地下水位在0.5 ～2.3 m。

1.3 主体结构计算说明

主体结构设计应按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合[9]，并取各自的最不利组合进行结构设计。本车站设计荷载主要有3种：永久荷载、可变荷载、偶然荷载，并按相关设计规范[10-11]的规定进行内力组合。主体结构各部位尺寸见表2，荷载取值及荷载组合系数分别如表3和表4。其中基本组合时可变荷载组合系数为1.4×1.0×0.7(1.4为可变荷载分项系数；1.0为设计年限调整系数；0.7为组合值系数，可根据规范[10]表5.1.1第四项(车站)来取)。准永久组合时可变荷载组合系数只有准永久值系数一项，同样根据规范[10]表5.1.1取为0.5。本文以研究主体结构内力计算影响因素为主要内容，在此主要对承载能力极限状态进行内力计算。

表1 土体物理力学指标

表2 主体结构尺寸参数值(明挖结构)

表3 结构计算荷载取值

表4 结构计算荷载组合系数

2 有限元模型建立

2.1 标准模型说明

采用通用有限元软件ANSYS并基于APDL[12-14]参数化设计语言进行建模和计算，对连续墙、梁板、侧墙采用梁单元进行模拟，对中柱、地基弹簧、主体结构与连续墙之间的联系均采用杆单元模拟，需要注意的是需要将主体结构与连续墙之间以及底板地基处和中柱的杆单元都需要设置成压杆。此外，连续墙左右侧都有土层部分的杆单元需要设置成可受拉压，单侧有土层部分的杆单元需要设置成压杆，否则与实际不符。土体荷载采用等效节点力方式加在连续墙上，考虑使用阶段地下水渗入主体结构与连续墙之间故水压力直接加在主体结构侧墙上。图1为标准的有限元计算模型。

图1 有限元计算模型

2.2 各影响因素下计算模型的修正

计算中涉及的影响因素均对应不同的计算模型，因此需要在图2的标准模型基础上进行部分修正才能实现不同因素影响下内力计算结果的差异。下面进行模型修正说明。

图2 不同结构形式

(1)结构形式

为了研究主体结构形式对结构内力计算的影响，建立了3种不同断面计算模型。标准断面计算模型如图1所示，双柱3跨和非标准断面如图2所示；后两者均需重新建模，为了便于内力变化比较，主体结构材料、地层情况、荷载施加情况3种模型保持一致。

(2)是否考虑地层分层

由于本车站在垂直方向上水平侧向土压力在土层分界处数值上不连续，如果要考虑地层分层则可以将分界点处的深度以及荷载值分别存入APDL数组中，再通过结构控制语句实现不同土层的加载。鉴于不同计算软件实现的难易程度，设计人员多采用土层参数加权的算法，只需要将各层土的重度和侧压力系数平均并重新对围护结构加载。

(3)有无围护结构

为了研究去掉连续墙对结构内力计算的影响，可以在标准模型基础上将土压力直接加在主体结构侧墙上，此外为了避免重新建模，需要对围护结构上的节点多余自由度进行约束，围护和主体结构之间的单元不变。

(4)模型尺寸

目前比较主流的是采用结构中心线进行建模，但是也有设计人员采用模型外边界(结构外皮)或者内边界(结构内皮)。这里通过更改APDL命令文件中模型尺寸参数，来实现不同模型尺寸条件的计算。

(5)混凝土强度等级

规范规定主体结构所用混凝土强度不得低于C35，这里为了研究混凝土强度等级对结构内力计算的影响，对C30～C50混凝土均进行计算以更好地反映内力变化规律。在ANSYS中只需要依次改变材料属性即可实现。

3 计算结果分析

3.1 结构形式影响分析

图3和图4分别是主体结构计算形式发生变化时主体结构各部位的弯矩和剪力值变化情况。从图3可以看出，除了上下侧墙外标准断面，其他位置最大正负弯矩计算结果均比非标准断面和双柱三跨断面大，部分位置相差2倍，顶板、底板、下侧墙处的最大正弯矩变幅分别为319.4、103.9、47.7 kN·m，最大负弯矩变幅分别为342.1、345.3、103.9 kN·m。另外非标准断面的计算结果普遍比双柱三跨断面稍大。这说明双柱对主体结构的弯矩起到明显的“分担”作用，而非标准断面对弯矩计算结果影响较小；从图4可以看出，除了下侧墙外标准断面，其他位置最大正负剪力计算结果也比非标准断面和双柱三跨断面大。顶板、底板、下侧墙处的最大正剪力变幅分别为188.9、127.5、35.5 kN，最大负剪力变幅分别为138.8、253.1、75.9 kN。另外非标准断面的计算结果也普遍比双柱三跨断面稍大。这说明双柱对主体结构的剪力也起到明显的“分担”作用，非标准断面对剪力计算结果影响也较小。通过以上差异分析，在对主体结构内力计算时用标准断面计算结果代替全部断面进行设计是不合理的，在双柱三跨段和非标准断面需要重新进行计算。

图3 主体结构各部位弯矩(单位：kN·m)

图4 主体结构各部位剪力(单位：kN)

3.2 地层分层影响分析

图5和图6分别是不同的地层考虑方式对主体结构各部位的弯矩和剪力值的影响情况。从图5可以看出，顶板、中板、上侧墙处的最大正负弯矩值基本上没有发生变化，在底板和下侧墙处弯矩值主要呈增加的趋势，底板和下侧墙处最大正弯矩变幅分别为109.6、43.1 kN·m，最大负弯矩变幅分别为41.1、109.6 kN·m。从图6可以看出，除了下侧墙外，主体结构各部位的正负剪力值基本上不变，下侧墙的剪力值有所增加，最大正剪力变幅为129.4 kN，最大负剪力变幅为397.8 kN。由此可见，采用地层参数加权平均的算法容易造成底板和下侧墙的内力值偏大，现阶段大多数设计人员对地层均是采用加权平均的简化算法，需要注意的是加权算法带来的内力差异还要受到土层厚度、土层参数的影响，因此设计人员需要充分考虑这些因素，并应结合内力试算结果确定合适的土层处理方式。

图5 主体结构各部位弯矩(单位：kN·m)

3.3 围护结构影响分析

图7 主体结构各部位弯矩(单位：kN·m)

图8 主体结构各部位剪力(单位：kN)

图7和图8分别是有无围护结构条件下主体结构各部位的弯矩和剪力值变化情况。从图7中可以看出在不考虑围护结构的条件下主体结构的各部位正负弯矩值均发生明显变化，多数位置的弯矩值发生增加。其中下侧墙的正弯矩变幅为418.8 kN·m，超过原来的1倍。顶板、底板等其他位置也有不同程度的变化。再看图8不考虑围护结构时剪力值的变化主要体现在底板和侧墙上，其中下侧墙的最大正负剪力变幅分别达到320.4和441.1 kN。由此可见有无围护结构对结构内力分析影响最大，不同的分析可能会造成配筋计算相差几个等级!考虑到围护结构对侧向土压力起到的分担作用，结构设计中设计人员应尽量避免对围护结构进行简化。

3.4 模型尺寸影响分析

图9和图10分别是模型尺寸发生变化时主体结构各部位的弯矩和剪力值变化情况。从图9可以看出，主体结构所有部位的最大正负弯矩计算结果均遵循减小的趋势，采用外边界时弯矩值最大，内边界时弯矩值最小。其中顶板、底板、下侧墙处的变化程度最为明显，中板和上侧墙的负弯矩变化程度也比较明显。顶板、底板、下侧墙处的最大正弯矩变幅分别为248.5、379.0、138.1 kN·m，最大负弯矩变幅分别为193.1、184.6、379.0 kN·m。再看图10发现，除了上侧墙外，主体结构其他部位正负剪力值也是呈减小的趋势，顶板、底板、下侧墙处的最大正剪力变幅分别为149.9、162.1、136.3 kN，最大负剪力变幅分别为88.9、147.2、185.0 kN。由此可见，模型尺寸的不同会对内力计算结果造成比较大的影响，并且对结构各部位的影响程度不同，不同结构设计人员有必要结合各自建模尺寸对内力结果进行合理分析。例如，当采用模型外边界时需要知道内力计算结果是偏小的。

图9 主体结构各部位弯矩(单位：kN·m)

图10 主体结构各部位剪力(单位：kN)

3.5 混凝土强度等级影响分析

图11和图12分别反映了混凝土强度变化时主体结构各部位的弯矩和剪力值变化情况。从图11可以看出，主体结构的大多数位置弯矩值基本不发生明显变化。在局部例如下侧墙处的最大负弯矩随混凝土强度增加而增加，最小值为-1 437.0 kN·m，最大值为-1 496.9 kN·m，顶板的负弯矩随混凝土强度增加而减小，最小值为-1 143.7 kN·m，最大值为-1 195.6 kN·m。从图12同样可以看出，多数位置的剪力值变化也不是很明显。下侧墙处的最大负剪力随混凝土强度增加而增加，最小值为-1 690.2 kN，最大值为-1 785.8 kN，上侧墙的正剪力随混凝土强度增加而减小，最小值为592.2 kN，最大值为577.0 kN。由此可知，混凝土强度等级发生变化时，对结构内力计算的影响基本上可以忽略，在局部位置会产生一些影响，但影响程度非常有限。

图11 主体结构各部位弯矩值(单位：kN·m)

图12 主体结构各部位剪力(单位：kN)

3.6 其他影响因素

(1)有限元单元数目

有限元法的基本思想是采用有限单元的方法对连续结构进行离散，以节点位移作为未知量进行求解。当单元数目足够多时，数值解将收敛于结构计算的精确解，但是计算量相应增大，过于粗糙的单元划分对造成局部内力结果不够精确需要寻找一个平衡点。

(2)中柱简化

将中柱按照刚度等效的原则换算为“中隔墙”进行计算，这种简化计算方法目前虽然得到了广泛的应用，但问题在于等效过程不能同时满足竖向受压变形刚度和平面内受弯刚度相等[15]。人为的强制性等效破坏了结构的总体变形协调条件，其结论必然存在一定的差异。

4 结论与建议

(1)对于结构形式的选取，建议单柱标准断面和双柱标准断面分开计算，非标准断面也需要单独设计；采用分层算法时下侧墙弯矩值和剪力值分别增大了7%和19%，顶板和中板位置相差不大。当各土层参数差异不大时，可以采用加权平均算法但须意识到下侧墙内力值会偏大；在确定模型尺寸时建议采取结构中心线，当采用外边界或内边界建模时须意识到结构各部位内力结果普遍偏大或偏小的现象。

(2)有围护结构的计算模型顶板和中板的内力计算值与不考虑围护结构时基本相同，但是在底板和侧墙处均产生了很大的变化，例如下侧墙的弯矩和剪力值由于连续墙的存在分别减少了56%和25%。考虑到地下结构受力的复杂性与结构安全的重要性，这里建议设计人员对比两种计算结果，采用对结构安全的方式计算。

(3)混凝土强度等级发生改变时对结构内力计算影响基本上可以忽略。设计人员无需担心混凝土强度差异对结构内力的影响，但须按照各构件的受力特点选取合适的混凝土，例如底板和中柱宜采用强度较高的混凝土。

[1] 王呼佳，彭帅.地铁明挖车站主体结构计算中的几个关键点[J].现代城市轨道交通，2013(2):45-48.

[2] 王博.明挖地铁车站整体建模结构受力分析[J].铁道标准设计，2012(11):75-88.

[3] 杨瞻梦.某地铁车站主体结构三维数值计算[J].中国科技信息，2009(9):47-52.

[4] 席雷.某地铁换乘车站的结构设计分析研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[5] 王敏.地铁车站截面控制内力计算分析[J].现代城市轨道交通，2013(3):72-75.

[6] 乔海超，李晓昭，赵晓豹.浅埋地铁车站结构内力影响因素分析[J].城市轨道交通研究，2008(4):18-22.

[7] 王雯.地铁车站主体结构内力分布规律及其影响因素研究[D].西安：西安建筑科技大学，2015.

[8] 黎钜宏.地铁地下车站主体结构内力变化规律的分析研究[D].武汉：武汉科技大学，2013.

[9] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50157—2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50009—2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[11]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010—2012混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[12]龚曙光，谢桂兰，黄云清.ANSYS参数化编程与命令手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

[13]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[14]张涛.ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[15]蒋雅君.地下工程本科毕业设计指南[M].成都：西南交通大学出版社，2015.

The Analysis of Influence Factors for Open-cut Subway Station Structure Calculation

YANG Jian-fei1，3， YANG Qi-xin1， JIANG Ya-jun1， LIU Qing-wen2

(1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Ministry of Education， School of Civil Engineering Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031，China; 2.CCCC Highway Consultants CO.， Ltd.， Beijing 100088， China;3.China Design Group Co.， Ltd.， Nanjing 210014， China)

With reference to a open-cut station， a variety of main structure calculation models are established with ANSYS parametric design language APDL. The influences of various factors on the calculation results are compared in the process of structure calculation， including main structure form， stratigraphic layer， palisade structure， calculation mode dimension， concrete strength of five aspects and qualitative analysis of other influencing factors. The results show that palisade structure influence on structure is obvious， especially on the sidewall; in case of clear difference in layers， the inner force in base plate and sidewall becomes more different if weighted average is used continuously for earth pressure calculation; the concrete grade poses less impact on the structure， but local inner force deviation may occur with but limited impact. Finally， suggestions to deal with structural design are put forward based on above factors．

Open-cut station; APDL; Structure calculation model; Influence factors

2016-04-06；

2016-04-18

中央高校基本科研业务费专项资金(2682014CX065)，四川省交通科技项目计划(2012C14-1)

杨剑飞(1991—)，男，硕士研究生，主要从事地铁结构设计工作，E-mail:23145735@qq.com。

1004-2954(2016)11-0109-06

U231+.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.024