地铁车站端头井环框梁内力计算方法研究

地铁车站端头井环框梁内力计算方法研究

张世瑞

（中铁上海设计院集团有限公司天津分院，天津， 300071）

摘 要：地铁车站结构整体上为线长形结构，可采用平面应变模型计算车站结构内力。然而地铁车站的局部结构，如端头井，却呈现出较为明显空间受力特征。为研究端头井构件内力的计算方法，本文以端头井环框梁为切入点，结合太原地铁某工程，采用有限元分析的方法，利用Midas GEN软件对端头井环框梁分别建立二维、三维有限元计算模型，最终通过对比两种模型的计算结果，发现地铁车站端头井存在明显空间受力特征，宜采用三维模型计算内力，对环框梁截面设计提出建议，对相似工程有一定借鉴意义。

关键词：地铁车站，端头井，环框梁，有限元分析

Abstract：The subway station structure is a long line structure as a whole, and the plane strain model can be used to calculate the internal force of the station structure. However, the local structures of subway stations, such as end wells, show obvious spatial stress characteristics. In order to study the calculation method of internal force of end shaft components, this paper takes the end shaft ring frame beam as the starting point, combined with a Taiyuan subway project, uses the finite element analysis method, and uses Midas Gen software to establish two-dimensional and three-dimensional finite element calculation models for the end shaft ring frame beam respectively. Finally, by comparing the calculation results of the two models, it is found that there are obvious spatial stress characteristics in the end shaft of subway station, so the three-dimensional model should be used to calculate the internal force, The improvement suggestions on the plane calculation model are given, which can be used as a reference for similar projects.

Key words：metro-station，end well，ring frame beam，finite element analysis

1 引言

国内地铁隧道常采用盾构法施工，地铁车站多采用明挖法施工，因此多数车站需在端头设置端头井满足盾构设备使用要求^[1-3]，而端头井通常还需与风道等附属结构连接，使得端头井侧墙为非对称布置，端头井处整体结构布置较为复杂。这导致端头井处结构受力呈现出空间受力特征，采用地铁设计中常用的平面框架模型计算端头井处结构内力时得出的结果经济性较差。目前对于地铁车站端头井构件内力计算方法的研究，多针对形状简单结构对称的端头井^[4-6],对形状复杂，结构非对称端头井的内力计算还需进一步研究。本文以太原市地铁某站为例，针对端头井环框梁的内力，建立空间梁-板模型和平面有限元模型进行数值模拟计算，对比两种模型的计算结果，分析研究端头井环框梁的内力计算方法，对二维计算模型提出改进建议，对相似结构设计提供参考。

2 工程概况

本车站为地下二层岛式站台车站，站台宽度12m，采用明挖顺做法施工，主体结构采用钢筋混凝土箱型框架，单柱双跨（局部双柱三跨）。车站小里程端接盾构区间，设置端头井为双线盾构接收提供条件，端头井南侧负一层与风道连接，接口范围不设置侧墙。

根据地勘报告，端头井范围内土层自上而下分别为素填土、黏质粉土、中砂、粉质黏土、黏质粉土、粉质黏土、角砾、粉质黏土。场地内地下水主要为孔隙潜水，地下水位埋深约8.9m，地下水资源较丰富。

根据地铁设计规范和全线技术要求，两端盾构孔开孔尺寸为11.5m×7.5m，顶板采用C45混凝土，板厚800mm；中板采用C35混凝土，厚400mm；底板采用C45混凝土，板厚1100mm；侧墙采用C45混凝土，厚900mm，主筋采用HRB400级钢筋。环框梁采用C45混凝土，尺寸均为宽1800mm，高800mm，盾构孔侧两侧面做200mmX200mm企口。端头井平面、横剖图见图1~图2。

图1 端头井平面图 图2端头井横剖面图

3 建立模型

取顶环框梁、中环框梁分别进行建模计算，计算采用施工工况，侧墙主要承受：1.侧向土压力；2.侧向水压力3.路面超载引起的侧向压力。根据地勘报告，计算时，静止侧压力系数取各土层的加权平均值0.43。

3.1平面有限元模型

采用Midas Gen建立端头井环框梁二维平面有限元模型，施工阶段，盾构井段顶板和中板预留盾构吊装孔，孔边设环框梁。环框梁平面模型中未考虑顶板、中板及侧墙的水平刚度，将环框梁与扶壁柱作为单独的受力构件进行分析。

环框梁二维模型假定：1.环框梁沿车站纵横向交接处为刚性连接，环框梁与扶壁柱交接处为刚性连接；2.环框梁端部约束为固定约束；3.侧墙所受侧向压力均传递到环框梁上并由其全部承担，侧墙抗弯刚度为0；4.土体对环框梁的约束等效为仅受压节点弹性支撑，弹簧刚度取基床系数×环框梁高度×单元长度。添加荷载时，按照板带划分的理论，顶板环框梁、中板环框梁各自承担临近板带一半的侧墙水平荷载。地面超载按照实际作用宽度等效为线荷载，作用于车站侧墙。侧向水压力由抗浮设防水位决定。环框梁二维计算模型见图3

图3 环框梁二维计算模型

3.2 空间梁-板模型

采用Midas Gen建立车站端头井三维空间梁-板模型，边界条件为：1.车站所受周围土体约束等效为仅受压面弹簧约束；2.在车站标准段板墙端部设置XY方向位移约束。受压弹簧刚度等于基床系数×作用面积，由软件自行计算，根据地勘报告，底板的垂直基床系数取25000kN/m³，侧墙水平基床系数取加权平均值35394.99kN/m³。

在空间梁-板模型中将墙板等构件划分网格，侧向水土压力采用面荷载施加在侧墙上、超载引起的侧向土压力采用均布面荷载荷载施加在侧墙上，水浮力按均布面荷载施加于底板，覆土荷载及超载采用均布面荷载施加在顶板上。

图4 三维模型示意图

4.计算结果分析

车站端头井结构强度按承载能力极限状态计算，参照施工阶段工况，按荷载基本组合的效应设计进行验算。由于二维模型中未考虑板柱支撑宽度的影响，设计实践中通常采用弯矩削峰公式M=max（M₀-V*b/3,0.8M₀）对二维模型得出的弯矩进行削峰，取削峰后的弯矩M进行截面设计。

图5平面模型顶板环框梁弯矩云图 图6平面模型中板环框梁弯矩云图

图7三维模型顶板环框梁弯矩云图 图8三维模型中板环框梁弯矩云图

图9平面模型顶板环框梁剪力云图 图10平面模型中板环框梁剪力云图

图11三维模型顶板环框梁剪力云图 图12三维模型中板环框梁剪力云图

两种模型计算模型下，弯矩和配筋结果对比见下表

通过对比平面模型计算结果和空间模型计算结果，可以发现：1.二维模型中环框梁的内力分布与三维模型中环框梁的内力分布基本一致；2.平面模型得出的内力比空间梁板模型要大，构件配筋增加也比较明显；3.与二维模型相比，三维模型中侧墙未开洞处中环框梁的弯矩向环框梁交接处集中。出现以上情况，笔者认为可能存在以下原因：1.二维模型中侧墙所受侧向压力均传递到环框梁上并由其全部承担，侧墙抗弯刚度为0，而在三维模型中侧墙存在一定水平刚度，分担了部分水平荷载；2.与顶板盾构孔孔边梁相比，中板盾构孔孔边梁截面尺寸较小且未拉通布置，中板盾构孔孔边梁对环框梁的约束能力较差，使得中板盾构孔孔边梁对环框梁的约束接近弹性约束。

4 结论及建议

本文以太原地铁某车站为例，对端头井环框梁内力进行数值模拟计算，得出以下结论。

（1）二维模型将土体约束等效为节点弹性支撑，侧向压力按照实际作用宽度等效为线荷载施加在环框梁上，能在一定程度上反映环框梁的内力分布，但计算结果偏保守。三维模型中将侧向压力以面荷载的形式施加在结构墙板上，且考虑竖向荷载及端头井其他构件对环框梁内力分布的影响，计算结果相对合理。

（2）地铁车站端头井受力具有明显的空间特征，侧墙、结构板及纵梁等构件对端头井的内力分布有重要影响。工程设计中建议采用三维空间模型计算分析端头井中结构构件的内力。

（3）中板环框梁承受的侧向荷载更大，在设计时应适当增大中板盾构孔孔边梁的截面尺寸，增强其对环框梁的约束，使环框梁上的内力分布更加合理。

（4）从本次计算结果来看，二维模型计算结果存在约40%优化空间，但在实际的工程设计时，应综合考虑构件的安全性、耐久性和经济性，需在三维模型计算结果的基础上留有一定的安全余量。

（5）采用平面计算模型计算结果进行环框梁截面设计时，建议考虑侧墙作为环框梁抗压翼缘对梁刚度和承载力的影响。

参考文献

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作者简介：张世瑞（1994-），男，河北石家庄人，硕士，助理工程师，专业方向：岩土工程，结构工程。