基于SAP84软件对地铁车站主体结构的内力分析

2023-10-19宫旭黎

黑龙江工程学院学报 2023年5期

宫旭黎,毕睿

(1.黑龙江工程学院土木与建筑工程学院,哈尔滨 150050; 2.长安大学公路学院,西安 710000)

地铁在城市轨道交通体系中占有越来越重要的地位,如何通过现有手段合理地进行主体结构设计,对整个地铁工程具有重要的意义,其中,地铁车站主体结构内力计算又是极其重要的一环。SAP84有限元分析计算软件可以对结构进行二维或者三维建模,具有计算功能强大、力学建模合理、使用方便、结果准确等优点[1],适用于桥梁、房建、水利、城市轨道交通等大型复杂结构形式的工程。文中依托哈尔滨市某地铁车站,应用SAP84软件对地铁车站框架主体结构件内力进行计算和二维建模,输入材料参数、截面参数、单元划分及赋予材料特性和截面特性、施加荷载、设置约束条件等,以地铁车站顶板为例,进行基本组合、人防组合、地震组合[2]3种情况弯矩、剪力、轴力的计算,并对最不利组合进行了配筋设计[3]。

1 工程概况

哈尔滨某地铁车站是中间车站,为地下二层岛式车站,车站结构采用单柱双跨结构,跨度为9.15 m。车站内净尺寸为217.6 m(长) ×19.7 m(宽),地下一层与二层分别为站厅层与站台层。有效站台中心里程处轨面标高为111.06 m,车站基坑开挖深度约为18.2 m,顶板覆土厚度约4.8 m。

根据原有资料与钻探揭露,本场区分布层为第四纪地层及白垩纪泥岩。第四纪地层由全新统人工堆积层、全新统低漫滩冲积成因土层、下更新统东深井组冲洪积、猞猁组冰水堆积层组成。

本站共设置4个出入口,都为地下一层外挂式结构,其中:无障碍出入口与2号出入口结合设置,以及1个消防疏散口和2组风亭。车站站台到站厅设置4部自动扶梯、1部宽度为2 m的“T”形楼梯。设有1个人工检票口和9个自动售票机,进出车站均设有7台自动检票装置[4]。

2 主体结构尺寸和计算简图

本站为地下两层单柱双跨现浇钢筋混凝土矩形闭合框架结构。施工方法为明挖法,地下连续墙作为永久性挡土结构,在施工阶段起到抗浮作用。车站基坑埋深为18.2 m,稳定地下水位在地下7.1 m处,抗浮设防水位以5.6 m计算。主体结构按照使用阶段进行设计。车站结构的计算简图如图1所示,其构件结构尺寸如表1所示。

表1 构件尺寸

图1 主体结构标准横断面(mm)

3 主要材料参数

3.1 混凝土[3]

车站主体底板、侧墙、中板、顶板采用C35混凝土,抗渗等级为P8;纵梁采用C40混凝土;柱采用C50混凝土,如表2所示。

表2 混凝土各项参数

3.2 钢筋[3]

各构件的主筋采用HRB400级钢筋,其他钢筋采用HPB300级钢筋,如表3所示。

表3 钢筋各项参数

3.3 土层信息

标准断面各土层信息如表4所示。

表4 标准断面处土层信息

4 荷载计算及取值

本地铁车站主体结构设计时,按使用阶段计算。考虑的永久荷载包括结构自重、顶板垂直土压力、侧墙上的水平土压力、底板上浮力、内部设备重力和装修材料重力;可变荷载包括路面活荷载、楼面人群荷载和施工荷载;偶然荷载包括地震荷载和人防荷载。各种荷载的分类及取值如表5所示。

表5 地铁结构荷载分类及取值

本车站主体结构设计包括正常使用极限状态和承载能力极限状态。由于地铁工程的设计使用年限为100 a,结构重要性系数取1.1。文中只以正截面配筋设计为例,所以荷载组合考虑基本组合、地震组合和人防组合。

根据表5的数值,计算地铁车站在基本组合、人防组合和地震组合下顶板、中板、底板、侧墙、中柱等处荷载,其中,在计算地震作用时,地下结构抗震设计中地震效应的计算方法有地震系数法、反应位移法和时程分析法等。因为哈尔滨市的抗震设防烈度为7度,地震动峰值加速度0.1 g,本地铁车站设防为重点设防类(乙类),采用地震系数法进行抗震效应计算。3种组合计算结果如图2～4所示。

图2 荷载基本组合计算(kPa)

图3 荷载人防组合计算(kPa)

图4 荷载地震组合计算(kPa)

5 建立模型

内力计算采用SAP84软件,车站主体结构为单柱双跨框架结构,车站的围护结构承受了施工阶段的主要荷载,但在长久效应考虑下,SAP84建模计算不考虑围护结构的作用是偏于安全的。内力分析主要包括输入材料参数、截面参数、几何模型建立、单元划分及赋予材料特性和截面特性、施加荷载、设置约束条件、计算分析、结果整理等,分析流程如图5所示。

图5 结构内力分析流程

地铁车站一般为长通道结构,其横向尺寸远小于纵向尺寸,在现行地铁车站设计中,可以简化为平面问题求解。平面计算基本假定如下:

1)将组成结构的各段梁柱分成梁单元,各单元之间以节点相连,单元长度取纵向1 m计算[5],即采用等效刚度法。

2)用布置于各节点上的弹簧单元来模拟地层与车站主体结构的相互约束,底板弹簧刚度大小取所在土层垂直基床系数与相邻两弹簧之间距离的乘积,侧墙弹簧刚度大小取所在土层水平基床系数与相邻两弹簧之间距离的乘积[6];假定弹簧不承受拉力(需要反复试算调整),弹簧受压时的反力即为围岩对底板的弹性抗力[5]。

3)对于采用复合墙形式的支护结构,支护结构与内衬结构之间的传力采用受压链杆(二力杆)模拟。受压链杆仅传递压力,不承受弯矩、剪力与拉力,当受压链杆受拉时应取消此杆重新计算。此外,根据计算经验,压杆的弹性模量数量级取1 015～1 017时,能较好地保证围护结构与主体结构的变形协调和连续性[7-8]。

4)开挖与回筑阶段迎土面采用主动土压力,使用阶段为静止土压力[7-8]。

主体结构的板墙柱采用梁单元模拟,地层对主体结构的抗力采用地弹簧模拟,弹簧单元的刚度系数K取持力层-中砂层的基床系数。结构内力分析采用平面应变法,沿纵向取单位长度1 m。

接地弹簧刚度与围岩基床系数和弹簧所覆围岩面积有关,计算公式为

K=mA=m(A1/2+A2/2)=

m(1×l1/2+1×l2/2).

(1)

式中:K为接地弹簧刚度,N·mm-1;m为围岩基床系数,MPa·m-1;A为弹簧所覆围岩面积,mm2;A1,A2为与弹簧相连单元的面积,mm2;l1,l2为与弹簧相连单元的长度,m。

本车站结构建模时,底板单元长度为0.95 m,持力层为中砂层,竖向基床系数28.2 MPa·m-1,中节点接地弹簧的抗力系数k=28.2×0.95×1=26.79×106N·m-1=26 790 kN·m-1。

边节点接地弹簧的抗力系数为26 790÷2=13 395 kN·m-1。同样侧墙水平向弹簧抗力系数根据所在土层的水平基床系数和单位长度计算,所以抗力弹簧只在受压时被激活。前述荷载组合时没有考虑结构自重,因此,在建模加载时还要将结构自重乘以相应系数后与荷载组合进行叠加。以基本组合为例的分析模型如图6所示[9-15]。