地鐵車站圍護結構對主體結構內力與位移的影響研究

王志杰，何晟亞，袁 曄

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

地鐵車站圍護結構對主體結構內力與位移的影響研究

王志杰，何晟亞，袁 曄

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

為提高地鐵車站的安全性，利用數值模擬軟件研究了圍護結構對地鐵車站主體結構內力與位移的影響。通過ANSYS建立有、無圍護結構兩種情況下的荷載結構模型，并采用相同的荷載組合進行數值模擬，得到兩種情況下的內力和位移情況，并對兩種情況進行對比。研究結果表明:在主要考慮內力的情況下，采用無圍護結構的主體結構進行建模較為合理;而在主要考慮位移的情況下，采用有圍護結構的主體結構進行模擬比較貼近實際。無圍護結構的主體結構模型與有圍護結構的相比較，其內力偏大，但具有安全儲備，且側墻的位移會偏小。在實際工程設計中應根據考慮的主要對象選擇適當的模型。

圍護結構 車站主體結構 數值模擬 內力 位移

現在對于地鐵車站主體結構設計，采用的基本上都是荷載結構模型，其中大致可以分為兩類，一種是僅主體結構受力而圍護結構不受力，另一種則是主體結構與圍護結構共同受力，即將圍護結構當作主體結構的一部分。對于第一種情況，則是一般情況下設計院所采用的方法。這樣可以直接將所有荷載分別作用于主體結構的頂板、中板、底板以及側墻上，即假設圍護結構不受外力作用。而第二種情況，則是將垂直荷載分別直接作用于頂板、中板和底板，但是水平荷載并沒有直接作用于側墻，而是作用于圍護結構上，即假設側墻并非直接受到水平荷載作用，而是由圍護結構直接受到其作用。另外根據選擇圍護結構的類型，第二種情況的模型，其圍護結構利用混凝土進行模擬。這兩種不同的荷載結構模型計算結果存在差異，而這種差異在實際工程設計中加以利用，便于不同情況下選擇不同的模型進行主體結構內力和位移的計算，使設計偏于安全。

1 工程背景

某地鐵車站位于全風化巖石之上，整體結構大多處于黏土地層中。其車站主體結構為雙層等跨單柱形式。由于此處環境允許，并且處于軟土地帶，所以采用明挖法施工，但是該地區位于沿海區域，其地下為軟土層，需要修建圍護結構。針對此問題，需要進行相關的主體結構的計算。主體結構中板、梁和側墻均采用C40普通混凝土，中柱采用C50混凝土;圍護結構采用φ1000 mm的鉆孔樁加樁間止水帷幕，其混凝土等級為C30。車站主體結構的頂板埋深為3.58 m，底板埋深為16.37 m。主體結構每跨為9.15 m，負一層高度為5.10 m，負二層高度為6.69 m。具體的土層參數，見表1，設計橫斷面見圖1。

表1 土層參數

圖1 地鐵車站設計橫斷面(單位:mm)

2 荷載組合計算

基本荷載組合與標準荷載組合是地鐵車站主體結構荷載計算中的常規荷載組合方式。而本文主要討論圍護結構對主體結構的影響，所以僅需考慮一種荷載組合即可，故選取基本荷載組合。根據《工程結構可靠性設計統一標準》的規定進行相應的計算。其中基本荷載組合的計算公式為

式中:SGik為第i個永久作用標準值的效應;SP為預應力作用有關代表值的效應;SQ1k為第1個可變作用(主導可變作用)標準值的效應;SQjk為第j個可變作用標準值的效應;γGi為第 i個永久作用的分項系數;γP為預應力作用的分項系數;γQ1為第1個可變作用(主導可變作用)的分項系數;γL1，γLj為第1個和第j個考慮結構設計使用年限的荷載調整系數，對設計使用年限與設計基準期相同的結構，應取γL=1，房屋建筑的設計使用年限為100年時應取該系數為1.1。γQj為第j個可變作用的分項系數;為第j個可變作用的組合值系數。圍護結構及主體結構荷載計算圖見圖2。

圖2 圍護結構及主體結構荷載

為了保持單一變量，所以兩個模型采用的荷載組合的大小均相同。但是在沒有圍護結構的車站主體模型中，側向土壓力和超載引起的側向土壓力均沒有計算到圍護層底部，而是計算到主體結構的底部。

由以上公式可以計算出無圍護結構的主體結構基本荷載組合，見表2。而有圍護結構的主體結構基本荷載組合，見表3。

表2 無圍護結構的主體結構基本荷載組合和標準荷載組合 kPa

表3 有圍護結構的主體結構基本荷載組合和標準荷載組合 kPa

3 數值模擬分析

3.1 ANSYS數值模型

本車站主體結構以及圍護結構的模型，均采用ANSYS進行數值模擬。對于側墻、底板和圍護結構均利用彈簧來代替與主體結構接觸的土體的地基反力。為了實際工程與理論相吻合，在有圍護結構的模型中，頂板的兩端加上豎向約束，圍護結構的底部加上豎向和水平約束。而對于無圍護結構的模型，則是在中柱的底部施加一個水平約束，防止其發生水平方向上的側移。

3.2 結果分析

通過計算，得出了地鐵車站在基本荷載組合情況下有圍護結構的主體結構及無圍護結構的主體結構主要部分內力。基本荷載組合情況下的彎矩圖、軸力圖都是正對稱圖形，而剪力圖為反對稱圖形，這個與理論相符。以此為前提，可以分析有無圍護結構的主體結構內力與位移的對比。

4 結語

通過ANSYS的數值模擬分析可以得到有圍護結構以及無圍護結構的主體結構的彎矩值、剪力值和軸力值。通過內力值數據的對比可以得到以下結論:

1)兩種模型的最大內力值出現的位置都是一一對應的，沒有因為圍護結構而發生改變。

2)有圍護結構的車站主體結構，其圍護結構也承受了一部分的荷載，所以圍護結構也產生了相應的位移和內力。

3)有圍護結構的主體結構，其圍護結構所產生的彎矩和剪力相對于同一模型下的主體結構的彎矩和剪力小了0.96倍，在工程中可以忽略不計，但是圍護結構的軸力最大值與主體結構軸力的最大值相近。

4)中板、底板以及側墻的端部與中部的彎矩值比較，在有圍護結構的模型中相差特別大，其相差最小為0.61倍，最大為2倍;而在無圍護結構的模型中，其相差最小為0.25倍，最大為16倍。

5)在基本荷載組合下，無圍護結構模型與有圍護結構模型相比較，彎矩大了89%，剪力大了131%，軸力大了112%。

6)有圍護結構模型的側墻位移與無圍護結構模型相比，小了8.3%。

綜上所述，在兩種不同的假設情況下，采用圍護結構與主體結構協同受力的模型，其內力值偏小，同一構件不同位置的內力相差小，安全性偏低，無法真實地表現出工程中主體結構所受到的內力。而對于無圍護結構協同受力的主體結構，其內力值雖然偏大，但偏保守、安全性較高，具有一定的安全儲備。在實際工程中，由主體結構直接承受所有荷載，是較為理想的內力計算模型。兩者的位移相比較之下，有圍護結構的側墻位移較大，這是因為考慮到了實際工程中圍護結構與主體結構間存在防水層和縫隙，沒有完全粘合，外部荷載先作用于圍護結構，再作用于側墻。所以在主要考慮結構位移的時候，可以選擇圍護結構與主體結構協同受力的模型;而在主要考慮結構內力的時候，則需要選擇無圍護結構的模型。

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Study on influence of metro station(foundation pit)enclosure structure on force and displacement of station structure

WANG Zhijie，HE Shengya，YUAN Ye

(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

In order to improve the safety of the metro station，the influence of enclosure structure on the internal forces and displacements of the metro station main structure was studied by using the numerical simulation software．The load-structure model for each case which has enclosure structure or has not was established by carrying out numerical simulation with the same load combination by ANSYS．The internal forces and displacements of both cases were obtained and compared．The results showed that the main structure without enclosure should be used to model by considering the internal forces primarily，the main structure with enclosure is more reasonable in case of thinking about the displacements primarily，the internal forces of the main structure model without enclosure is larger than structure with enclosure，which has safety reserve and the small displacement of sidewall． In the actual engineering design，appropriate models should be chosen according to the main object that is considered．

Enclosure structure;The main structure of the metro station;Numerical simulation;Internal forces;Displacements

U231+．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．19

1003-1995(2015)07-0065-03

2014-05-27;

2015-03-20

中央高校基本科研業務費專項資金項目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964— )，男，山西萬榮人，教授。

(責任審編 趙其文)