某地铁车站底板下翻梁板转换成厚板的结构分析

李 钢 孙奕映

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142； 2.中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 200135)

某地铁车站底板下翻梁板转换成厚板的结构分析

李 钢1孙奕映2

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142； 2.中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 200135)

以某地铁车站为例，应用Midas GEN和Midas FEA软件建立了数值模型，分析了底板下翻梁体系转换成厚板体系的结构受力特点及转换节点处的应力状态，并提出了在暗梁内采用全长加密的多肢箍筋建议，以提高其受力性能。

地铁车站，底板，计算模型，应力

随着城市化进程的推进，人口不断向大中型城市集中，在带来无限机会的同时，城市的交通问题日趋显现。而地铁因其具有占地小、运量大、速度快等优点，被越来越多的大中型城市所采用[1]。目前，地铁车站大多采用明挖基坑方式，在长三角等软土地区，地铁基坑最常采用的是地下连续墙加内支撑形式。在基坑开挖到坑底之后，尽快施作结构底板，对降低基坑风险控制变形是有利的[2，3]。但是由于相关专业的限制，很多底板纵梁需要下翻，施工时不可避免的延后封底，增加坑底暴露时间。如将部分下翻梁取消，增加底板厚度，可以有效降低施工难度，减少底板施工时间。本文通过对下翻梁板体系转换成厚板体系[4]进行研究，建立整体模型分析其受力特点，并研究了两种结构体系转换处的细部节点受力特点，为今后类似工程提供参考。

1 工程概况及模型简述

1.1 工程概况

某地铁车站位于软土地区，为双柱三跨的地下3层车站，该车站高度21.2 m，顶板覆土4 m，底板位于粘土层，地下水标高为地面处。该车站结构柱距8 m，柱底和纵向两柱之间设工程桩，纵梁体系处梁为1 000 mm×2 400 mm，板厚1 200 mm；厚板体系处板厚1 400 mm，设宽度为1 000 mm的纵横向暗梁，两体系转换处设宽度为1 500 mm的横向暗梁。柱底及纵梁之间设工程桩，以保证底板为单向板受力体系，下翻梁板转换成厚板区域的底板结构布置形式如图1所示，方形虚线框处为细部分析节点。

1.2 整体计算模型简述

计算模型以结构荷载法为基础，采用Midas GEN建立三维整体模型。计算模型见图2，对该模型进行了以下简化：

1)因本工程采用复合墙形式，因此在模型中，连续墙与结构墙之间设置只压弹簧；

2)考虑结构底板与底层变形协调，故采用Winkler地基模型，基床系数Kv=8 MPa/m；

3)不考虑站台板及行车荷载等有利荷载影响；

4)柱及纵横梁采用梁单元，结构底板、侧墙及连续墙采用厚板单元；

5)工程桩以弹簧刚度形式输入模型，刚度K=200 000 kN/m。

1.3 节点计算模型简述

纵梁体系和厚板体系的转换细部节点处，采用Midas FEA建立三维实体模型，计算模型见图3，钢筋模型见图4，对该模型进行如下简化：

1)截取单元隔离体，采用3D实体单元建立节点模型，仅考虑梁柱节点，不考虑板的作用；

2)梁内纵筋及箍筋采用1D模型，纵筋D=32 mm，间距为150 mm，上下均为双排布置，箍筋d=16 mm，间距100 mm；

3)在节点隔离体的边界处，直接添加由整体模型计算得到的力及弯矩，并在隔离体内施加自重及底部反力。

2 计算结果及分析

2.1 底板整体计算分析

底板变形可以直观的反映出结构的受力变化，由于竖向变形占主导，因此图5仅反映竖向变形特点。从变形后的等值线图中可以看出，若排除边界条件的影响，则在底板厚板区域的跨中变形最大，最大变形竖向达到6.67 mm，主要由水反力引起。可以看到，梁板体系和厚板体系对于变形的控制差异不大，变形仅在柱底及工程桩处有突变，说明控制变形可以采取增设抗拔桩的手段。另外在结构体系转换处，因设置了宽扁横梁，增加了约束，因此变形为3.98 mm，仅为最大位移的59.7%。

通过分析底板结构构件的剪力和弯矩，可以定量得到底板结构受力特点。图6和图7分别为梁单元和板单元的弯矩图。在厚板处，由于纵横暗梁体系的布置，板的受力状态趋近于双向受力状态；而纵梁体系处，板单向受力特征明显。从整体来看，除了个别应力集中的节点之外，由于工程桩的布置，板的受力状态仍然可以看作单向板，也就是横向弯矩大于纵向弯矩。

在厚板区域可以发现，由于布置的纵横梁均为暗梁，因此梁的弯矩与板的弯矩接近，选取了三个横梁中间跨的跨中单元，得到梁和板的弯矩对比值分别如表1所示，两者弯矩差不超过7%，由此可见，暗梁厚板体系中，暗梁不能额外分担弯矩，故不必增加纵向受力钢筋，增设暗梁仅为柱端抗冲切，因此采用全长箍筋加密布置。另外，纵横暗梁体系中，横向暗梁的弯矩均大于相邻纵向暗梁，可见，结构体系已经较为复杂。

在纵梁体系区域，为典型的单向板受力体系，荷载经过传递，都集中到上翻梁上，板本身的弯矩较小。

底板剪力也呈现出类似的特点，在梁柱节点处有受力较大，节点范围外不大。

表1 典型单元的梁、板弯矩对比

2.2 细部节点分析

通过整体分析可以看到，在两种结构体系的转换处，弯矩和剪力都会发生突变，产生力和弯矩过大的情况，这是由于数值分析中两种单元形式的转换引起的边界效应所致，是不真实的。为了更清楚的表明两种体系的节点受力状态，对节点进行细部分析，结果如图8所示。该图为世界坐标系下Z向正应力状态剖面图，如不考虑柱的受力状态，则节点处核心区上部呈现受压下部呈现受拉状态，最大拉应力SZZ可以达到0.75 MPa，而暗梁和纵梁的节点处，SZZ应力呈现先增大后减小的趋势，拉应力区域扩散角度小于45°。

图9是对于节点最大剪应力分析，可以看到在节点梁柱连接处剪应力最大，最大值达到了4 MPa，出现在暗梁和纵梁相接处，这是由于截面突变的应力集中造成的。剪应力在节点区域收敛较快，应在设计时考虑抗剪，节点核心区剪应力不敏感。

对钢筋的应力分析可以看出，从受力角度看，节点区域钢筋受力基本满足钢筋屈服强度要求，仅个别节点连接处应力过大，应该是节点连接处应力集中所致。但是该处位于节点核心区域，刚度很大，不会出现过大变形，如图10所示。

3 结语

通过数值整体及细部节点建模分析，对地铁车站底板下翻梁改厚板的设计进行了讨论，得到了构件及结构变化处节点的受力状态，得出了以下结论：1)由于增加了工程桩，从整体上看，厚板区域可以按单向板受力体系简化，但是其暗梁分担的弯矩与底板相差不大，设计时应注意厚板的受力。2)通过节点分析，得到梁柱节点处受力比较复杂，出现应力集中的区域都集中在节点核心区或其扩散角范围内，设计时应考虑其抗冲切和剪切能力。3)建议在暗梁内采用全长加密的多肢箍筋提高其受力性能。

[1] 梁宁慧,刘新荣,曹学山，等.中国城市地铁建设的现状和发展战略[J].重庆建筑大学学报,2008,30(6)：131-132.

[2] 黄周强,赵晓军,姜 巍.超长地铁深基坑施工风险控制技术[J].山西建筑,2008,34(29)：299-301.

[3] 吴 昊.基于空间计算的地铁明挖车站受力规律分析[J].山西建筑,2016,42(10)：178-181.

[4] 胡世明.若干与配筋相关的构造及计算分析[J].城市建筑,2014(21)：3-5.

Analysis of the metro station bottom plate from beam-plate structure to thick plate structure system

Li Gang1Sun Yiying2

(1.TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation,Tianjin300142,China;2.CCCCNationalEngineeringResearchCenterofDredgingTechnologyandEquipmentCo.,Ltd,Shanghai200135,China)

Taking the metro station as an example, applying Midas GEN and Midas FEA to build the numerical model, analyzes the internal force feature of bottom plate and stress state of structure node from beam-plate structure system to thick plate structure system, puts forward the suggestion of the total-length infill multiple hoping in the hidden beam, so as to improve its stress performance.

metro station， thick plate， computational model, stress

1009-6825(2017)05-0060-02

2016-12-06

李 钢(1987- )，男，助理工程师

TU311

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