地铁无柱车站中板大开孔受力数值分析

2022-08-01王佳庆

广东土木与建筑 2022年7期

王佳庆

（中国中铁二院工程集团有限责任公司成都 610031）

0 前言

地铁车站结构形式越来越多样化，普通车站公共区的结构布置一般与建筑布置相关，可采用双柱车站、单柱车站及无柱车站。无柱车站逐渐成为提升地铁车站品质和装修效果的首选方案。但由于大量楼扶梯的设置，需在中板设置车站纵向开孔长度超过12 m 的大开孔，导致开孔周边的中板受力特殊，从而结构布置和加强措施的方式各异［1-3］。当设置孔边梁时，梁下吊中板部分对地下二层轨顶风道和综合管线设计的空间影响，甚至导致地下二层车站层高加大。地铁车站中板除了承受竖向荷载，也承受水平向水土压力作用，其受力状态相对复杂［4-5］。对于地铁无柱车站中板大开孔处所采取的中板结构布置与构造措施是否合理，将直接影响车站结构安全、层高设计、车站造价等。

本文对地铁无柱车站中板大开孔的受力进行研究，并对结构布置提出合理化建议，对无柱地铁车站结构设计提供参考，使结构设计更安全、合理、经济。

1 计算模型简介

以某地铁无柱车站中板开孔为例，车站公共区净宽度18.7 m，中板楼扶梯大开孔尺寸4.1 m×12 m，中板厚600 mm；地下一层层高5.8 m，地下2 层层高7.0 m，车站覆土3.5 m。车站埋深范围内均为土层，抗浮水位在地面下1.0 m。无柱车站典型大开孔孔边梁结构平面布置及结构横剖面如图1所示。

图1 某地铁无柱车站典型大开孔孔边梁结构平面布置Fig.1 Plane Layout of Typical Large Opening Side Beam Structure of a Subway Columnless Station （mm）

本文在上述无柱车站的条件下，提出A、B、C、D 四种中板大开孔结构布置形式，并对每种布置形式中的影响参数进行调整，总结其对结构受力的影响规律［6］。其中B～D 均为孔边梁与标准段板厚一致的“暗梁”结构布置（见图2）。

图2 不同结构布置形式分类Fig.2 Classification of Different Structural Layout Forms

采用MIDAS∕GEN 有限元软件建立荷载结构模型，进行三维数值模拟，全部梁、板构件均采用可以考虑剪切变形的厚板单元进行模拟。本文计算结果中，车站长度方向为X轴，车站宽度方向为Y轴，车站高度方向为Z轴。其中“横向”指车站横剖面对应的YZ平面，“纵向”指车站纵剖面对应的XZ平面［7-8］。

2 计算结果分析

2.1 孔边梁尺寸影响

在中板厚度、荷载条件不变的情况下，统计不同孔边梁尺寸时中板与孔边梁的挠度与内力结果，如图3所示，根据统计分析可以得出以下结果：

图3 孔边梁尺寸影响的挠度、弯矩、轴力、剪力变化Fig.3 Variation of Deflection，Bending Moment，Axial Force and Shear Force Affected by the Size of Hole Side Beam

⑴A-1～A-4 结构布置形式，中板及孔边梁的挠度与内力值均能满足钢筋混凝土构件的正常使用极限状态和承载能力极限状态。其中A-3 与A-4 布置在中板挠度、构件内力上控制效果较好。

⑵随着横向孔边梁L1 与每延米中板的刚度比增加，L1 承担的支座弯矩、支座剪力及弯矩均明显增大，大开孔周边梁、板构件的挠度有所减小。其中A-2、A-3布置其梁板抗弯刚度比分别为3和10。抗弯刚度比越大，梁板的横向支座弯矩差异也越大，孔边梁分担更多内力。

⑶在A-4 布置下，虽然孔边梁高与中板厚度一致，但设置中板支座处的腋角（0.5 m×1.2 m）后，与A-3布置设置1.5 m 高孔边梁的结构布置相比，孔洞周边的中板挠度与A-3 布置相近，挠度与内力比A-3 布置相比更均匀。而与A-1 布置相比，开孔周边最大挠度减小25%。由此可见中板与侧墙节点处合理的腋角设置，对无柱车站中板大开孔条件下的中板挠度、内力有良好的控制作用。

⑷结合主轴力结果（见图4），在无柱车站大开孔的情况下，板的最大横向轴力出现在L1 与L2 相交的区域。

图4 主轴力计算结果示意图Fig.4 Schematic Diagram of Spindle Force

经过上述孔边梁尺寸影响分析，下文分析计算均采用A-4 结构布置形式，孔边梁为“暗梁”，中板与侧墙节点加腋角的结构布置为进一步对比的结构布置基础形式。

2.2 板厚影响

采用不同板厚时，无柱车站大开孔的孔边结构构件挠度与内力的统计如图5 所示，根据挠度与内力的统计分析，可以得出以下结果：

图5 板厚影响的挠度、弯矩、轴力、剪力变化Fig.5 Variation of Deflection，Bending Moment，Axial Force and Shear Force Affected by Plate Thickness

⑴B-0工况相比B-1工况挠度变化值达到54%，而B-1～B-4结构布置形式下挠度、内力变化均在15%以内。B-0 布置方式跨度与板厚的比值达到40，相比B-1存在挠度“突变”，B-0布置0.4 m 厚中板整体刚度偏低。在没有采取专门结构加强措施的情况下，B-0布置不适合无柱车站大开孔的中板。B-1～B-4 结构布置，中板及孔边梁的挠度与内力值均能满足钢筋混凝土构件的正常使用极限状态和承载能力极限状态。

⑵随着板厚加大，中板刚度同步加大，无柱车站大开孔中板的挠度随之减小，构件内力随之加大。

⑶孔边梁的受力特征主要为：L1 主要承受水平荷载引起的横向轴压力、竖向荷载引起的横向弯矩与剪力，L1 为弯、剪、压的复合受力状态；L2 主要承受水平荷载引起的纵向拉力，由竖向荷载引起的纵向弯矩与剪力均较小。

2.3 孔洞位置

不同孔洞位置的情况下，不同开孔跨高比的孔边构件时的挠度与内力统计如图6 所示，其中“跨高比”是开孔尺寸与孔洞距侧墙边距离的比值，即跨高比数值越大，开孔越靠近侧墙。根据挠度与内力的统计分析，可以得出以下结果：

图6 不同孔洞位置的挠度、弯矩、轴力、剪力变化Fig.6 Variation of Deflection，Bending Moment，Axial Force and Shear Force at Different Hole Positions

⑴C-1～C-4 的结构布置形式，中板及孔边梁的挠度与内力值均能满足钢筋混凝土构件的正常使用极限状态和承载能力极限状态。大开孔到侧墙边的距离越小，孔边梁挠度、横向轴力越大。D-4 工况的最大挠度出现在远离侧墙的L2跨中。

⑵在本文地铁车站的结构布置、地质与荷载条件下，结合深受弯构件斜截面受剪承载能力Vk≤0.5ftk⁃bh0的控制条件［9］。大开孔结构布置的跨高比宜为2.5～8，侧向水土压力小的地下1 层中板可取高值，侧向水土压力大的地下2、3层中板，应取低值。

⑶由图7 可知，孔洞距离侧墙越近，“跨高比”越大，临侧墙边的中板孔边梁应力越大。该孔边梁主要受侧墙传来的水土压力。其梁高为Y方向，梁宽为Z方向。当跨高比大于5时，应加大孔边梁截面，验算孔边梁的截面抗剪，不宜再采用与中板厚度一致的“暗梁”。

图7 不同跨高比时孔边梁最大应力Fig.7 Maximum Stress of Hole Side Beam at Different Span Height Ratio

2.4 “桁架式”孔边结构布置分析结果

根据上述孔边结构构件的受力分析。当跨高比小于5 时，孔洞到侧墙边的中板构件呈现出“斜压”受力的模式。结合图4 所示的主轴力结果特征，提出一种与主轴力分布特征匹配的“桁架式”孔边结构布置形式（见图8）［10-11］，并对该结构布置进行受力分析。其中D-1 结构布置仅设置承受水平荷载的桁架杆件，D-2、D-3 采用不同尺寸的桁架和中板厚度。图9 给出了采用不同“桁架式”孔边结构布置的挠度与内力统计图，可以得出以下结果。