明挖地铁车站整体建模结构受力研究

明挖地铁车站整体建模结构受力研究

熊元潮

湖北省城建设计院有限公司湖北武汉430000

摘要：针对目前明挖地铁车站整体建模结构受力分析过程中存在的问题，文章通过研究实际案例的建立计算内容及过程，其目的是为相关建设者提供一些理论依据。

关键词：明挖地铁车站；建模结构受力分析；荷载工况；有限元程序单元选取

随着我国市场经济发展进程的不断加快，各地进行地铁工程施工建设已经成为经济现代化发展水平的重要体现。然而，在对明挖地铁车站进行整体建模结构的受力分析过程中，容易受复杂受力机理及计算模型的影响。基于此，相关建设人员应从

一、工程概况

以某城市地铁建立车站整体模型为例，该工程为地下二层的单柱双跨岛式明挖车站。其总建筑面积约为9300m2，建设结构设计为箱型框架。由于该地铁车站所处地层以卵石土为主，因设计需要，车站顶板覆土厚度约为3m，中心里程处底板埋深约为15m。对于地铁车站的主体围护结构来说，设计采用Φ1200mm@100mm的钻孔灌注桩+钢支撑体系，桩间采用用C20的钢筋网喷混凝土[1]。

二、明挖地铁车站整体建模结构的受力机理以及计算模型

由于地铁车站整体是埋于地下的，这就使得其结构构件之间、结构与土体之间存在着共同作用的关系。在此情况下，受力机理的边界条件与荷载种类具有复杂繁多的特点。相关研究表明，该地铁车站的受力机理为：其结构的水平荷载主要集中于侧墙，即通过顶、中以及底板平面内的刚度达到了平衡。顶板和中板是

通过车站的纵梁及侧墙，来将其所承载的竖向荷载传递给底板以及柱体结构的。这就意味着这一底板结构，可视为置于文克尔地基上的弹性板。值得注意的是，在具体受力和传力的过程中，主体结构的各个构件之间需要满足变形协调关系。

在对该车站整体建模结构进行设计计算的过程中，墙板内力的计算要采用平面框架的计算模型。而梁柱的内力计算，要采用提取沿车站纵向框架的单向板导荷方式以得出荷载内力。此外，由于平面框架计算模型能够将车站结构设计中的空间问题，转化为结构断面的建模问题来进行解决，这就简化了计算模型的边界条件。具体来说，对于代表计算区域范围的框架模型来说，其墙板受荷载的变化幅度不能过大、地层的变化幅度不能对其造成过多的影响以及板长的宽比1/b不能发生突变。对于车站梁柱结构的计算模型建立，可采用单独提取框架计算的模式，来割裂板在结构内力传递过程中的作用，但这种模式容易忽略了板的平面外刚度。因此，可采用导荷方式，来准备反映大洞口以及扩大端区域实际的受力模式[2]。

三、明挖地铁车站整体建模结构的空间模型建立与计算理论

1.建模材料与截面尺寸的确定

对于建模材料的选择，要满足工程设计的结构强度以及耐久性要求。具体来说，要按照《混凝土结构设计规范》以及《混凝土结构耐久性设计规范》中的内容，来优化受力构件材料的选取。其中中柱的混凝土采用了C50材料，而其他构件则采用C35来进行结构建设。而墙板、梁、柱受力纵筋采用HRB400，箍筋采用HPB300。如表1所示，为材料设计确定的指标参数取值。

表1材料设计确定的指标参数取值

1.荷载工况

由于地铁工程的施工建设过程涉及的荷载计算内容较多，其中影响结构受力荷载计算内容有：顶板荷载、中板荷载、底板荷载以及侧墙荷载。其中顶板荷载，要根据地面荷载、顶板土压力、顶板水压力以及人防等效静荷载来进行计算；中板荷载，要根据装修荷载、人群荷载以及设备荷载来完成具体计算；底板荷载，要根据人防等效静荷载与竖直向上水压力荷载来进行计算。在分析使用阶段的结构受力情况时，荷载组合计算人员应按照《建筑结构荷载规范》中的要求，采用基本组合来设计承载能力的极限状态，从而解决结构作用的强度以及安全问题。此外，在计算整体建模结构的地震作用设计时，地震作用的效应与其他荷载效应的基本组合，应遵循《建筑抗震设计规范》中的组合系数即代表值要求。

2.有限元程序的单元选取

（1）边界条件

当明挖地铁车站的主体、地基、土层以及围护结构处在共同作用的环境下，可通过弹簧模拟来处理边界条件的复杂问题。这里指的弹性模拟，主要作用于底板与地基间的关系。此外，由于侧墙与围护桩之间设有防水层，因此，其二者之间不能传递相关的剪力，设计计算人员应按重合结构计算的方式来进行单元选取。具体来说，就是将主体侧墙与围护结构之间，采用刚度无限大且只受压的缝单元的连接。这样一来，车站的围护结构就可视为直立的文克尔地基上的弹性地基梁，而后，就能与土体之间关系用弹簧进行模拟[3]。

（2）框架单元

框架单元是线单元在SAP2000中的重要组成部分，其能够实现地铁车站梁柱的有限元模拟。这是因为，框架单元具有拉、压、弯、剪、扭变形刚度，即充分考虑了梁双轴剪切的变形影响。此外，由于框架单元的每一个节点都具有沿x、y、z轴3个方向的线性位移特点，这就满足了梁单元上实际作用的温度荷载、分布荷载集中荷载的结构计算要求。

结束语：

综上所述，明挖地铁车站整体建模结构要在受力机理以及计算模型的基础上，实现整体建模结构的空间模型建立与计算理论。此外，要想保证建模材料与截面尺寸的确定、荷载工况以及有限元程序单元选取的质量，模型建立人员应根据相关的规范标准来进行设计。

参考文献：

[1]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,2012,11:75-78-88.

[2]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,2013,02:45-48.

[3]张明聚,何欢,李春辉,苏智勇,刘晓娟.明挖地铁车站围护结构受力变形监测与数值模拟分析[J].北京工业大学学报,2013,06:875-880.