基于SAP2000的地鐵車站結(jié)構(gòu)二維計算優(yōu)化設(shè)計探討

冉冬琴劉科成

（中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司　天津　300133）

基于SAP2000的地鐵車站結(jié)構(gòu)二維計算優(yōu)化設(shè)計探討

冉冬琴劉科成

（中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司天津300133）

針對某地鐵車站，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求及實際設(shè)計經(jīng)驗，運用SAP2000有限元結(jié)構(gòu)分析程序，對主體結(jié)構(gòu)設(shè)計計算過程中遇到的常見關(guān)鍵點進(jìn)行了對比計算分析，結(jié)果表明：為了盡量接近結(jié)構(gòu)實際的受力模式，提高工程建設(shè)的經(jīng)濟性，必須考慮構(gòu)件連接處的加腋、剛域以及軸力的影響。

地鐵車站；結(jié)構(gòu)計算；優(yōu)化設(shè)計；SAP2000

前言

由于使用功能的要求，大多數(shù)車站設(shè)計成沿橫向二～四跨、縱向為多跨的長條結(jié)構(gòu)，沿高度大多分二～三層，結(jié)構(gòu)內(nèi)部只設(shè)縱梁不設(shè)橫梁，或局部設(shè)有高度受到嚴(yán)格限制的橫梁。為抵抗水土壓力、車輛荷載以及特殊荷載，結(jié)構(gòu)的頂板、底板、邊墻往往都較厚，頂梁、底梁的截面高度也很大，中間樓板由于要承受較大的設(shè)備荷載、人群荷載及裝修荷載，其厚度也比一般的樓板厚許多，這樣就形成一座有巨大剛度的地下長條結(jié)構(gòu)。

計算時，計算模型的正確合理性，決定了結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟性。本文結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求及實際設(shè)計經(jīng)驗，對主體結(jié)構(gòu)設(shè)計計算過程中遇到的常見關(guān)鍵點，結(jié)合具體工程進(jìn)行了對比計算和分析，結(jié)果表明：考慮構(gòu)件連接處的加腋、剛域以及軸力的影響，比較符合結(jié)構(gòu)實際的受力模式，能夠極大地減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的含鋼量，在滿足安全的同時，增加經(jīng)濟性。

1　工程概況

某車站為地下三層島式站臺，主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)型式為單柱雙跨矩形框架結(jié)構(gòu)，橫向凈跨22.5m；主體結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工，主基坑開挖深度約20.3m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用1200mm地下連續(xù)墻，嵌固深度為20m。

2　計算條件

覆土厚度取3m；地下水位按最不利水位考慮，取至地面；靜止側(cè)壓力系數(shù)加權(quán)值取0.5。主體圍護(hù)墻參與計算時，剛度折減到原來的50%。主體結(jié)構(gòu)柱為軸心受壓構(gòu)件，按受壓剛度相等換算成每延米的薄壁墻截面。

3　計算模型及基本假定

對于地鐵多跨車站，由于采用了縱梁、立柱體系（非中隔墻），各層板的內(nèi)力和變形不符合平面應(yīng)變假設(shè)。柱上板帶處縱梁撓度接近于柱的壓縮量，受力特性接近單向板；而縱梁跨中的板帶，由于縱梁撓度相對較大，不僅能產(chǎn)生橫向撓度，也能產(chǎn)生縱向撓度，其受力特性接近雙向板。

中柱剛度的簡化方法，一般將單根柱子的壓縮剛度除以縱向柱跨，作為平面模型中柱剛度，此時要注意釋放掉中柱與板交接處轉(zhuǎn)動自由度，只耦合平動自由度，否則可能會導(dǎo)致板的彎矩和轉(zhuǎn)動變形傳遞一部分給中柱。這種簡化模式計算出來的中柱壓縮變形量與空間模型中柱子對應(yīng)斷面處的柱子壓縮變形是一致的（即板在柱位置處的撓度是一致的），在忽略板縱向撓度帶來的雙向板效應(yīng)的情況下，此模型的計算結(jié)果可以近似為柱上板帶的結(jié)果。

計算軟件采用有限元計算軟件SAP2000，結(jié)構(gòu)采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，沿車站縱向取單位長度按底板支承在有限彈性地基上的平面框架進(jìn)行分析，將三維空間結(jié)構(gòu)簡化成二維平面框架結(jié)構(gòu)，按結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析模型，進(jìn)行各階段不同荷載組合內(nèi)力分析，計算圖式見圖1。

圖1　主體結(jié)構(gòu)計算簡圖

基本假定：

（1）地鐵車站主體結(jié)構(gòu)計算時，假定構(gòu)件在彈性階段工作，很少考慮構(gòu)件進(jìn)入塑性階段工作。彈性分析為最基本和最成熟的結(jié)構(gòu)分析方法，特別適用于承載力和裂縫驗算，同時彈性分析的結(jié)果簡易實用，承載力設(shè)計偏于安全。

（2）構(gòu)件間連接的簡化為剛接、鉸接等。現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)和裝配式整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點可視為剛接，非整體澆筑的次梁及板跨兩端可近似為鉸接。計算跨度、高度按支撐中心距或凈距確定，并根據(jù)連接剛度或支撐反力的位置修正。桿件間連接剛度較大時，在計算模型中可作為剛域處理，如縱梁和中板相接處，頂?shù)装搴蛡?cè)墻相接處。

（3）假定構(gòu)件為小變形彈性梁，離散為足夠多個等厚度直桿梁單元。

（4）用布置于各節(jié)點上的彈簧單元來模擬圍巖與墻的相互約束；假定彈簧不承受拉力，即不計圍巖墻間的粘結(jié)力；彈簧受壓時的反力即為圍巖對墻的彈性抗力。用GAP單元模擬連續(xù)墻與側(cè)墻之間水平力傳遞。

4　主要荷載及荷載組合

（1）結(jié)構(gòu)自重：結(jié)構(gòu)自身重量產(chǎn)生的沿構(gòu)件軸線均勻分布的豎向荷載，一般可由計算程序自動計算。混凝土構(gòu)件按γ=25kN/m3考慮。

（2）地層壓力：車站上覆土層為3m，計算截面以上全部土柱重量作為垂直荷載，取覆土重度γ=20kN/m3。對于使用階段，結(jié)構(gòu)承受的水平力按靜止土壓力計算。對于砂性土，采用水土分算；對于粘性土，采用水土合算。

（3）地基反力：對于明挖車站地基反力的大小和分布規(guī)律，采用文克爾假定，根據(jù)所采用的計算簡圖在計算中以彈簧模擬地基反力，將車站底板按彈性地基梁考慮。彈簧剛度KC取單位面積上的地基垂直抗力系數(shù)K。

（4）設(shè)備荷載：設(shè)備區(qū)按8kN/m2計算，對個別超重設(shè)備考慮其運輸路徑對結(jié)構(gòu)的影響。

（5）地面超載：地面超載按20kN/m2計算。

（6）地鐵車輛荷載：列車荷載取20kN/m2計算。

（7）站內(nèi)人群荷載：站臺、站廳、樓梯、車站管理人員用房等部位的人群荷載按4kN/m2計。

（8）人防荷載：抗力級別為6級，動力系數(shù)取2.0，直接作用在門框墻上的沖擊波超壓的等效靜荷載取100kPa，作用在門扇上的沖擊波超壓等效靜荷載取75kPa，構(gòu)件計算按《人民防空地下室設(shè)計規(guī)范》（GB50038-2005）的有關(guān)規(guī)定計算。

表1　荷載組合表

5　計算分析

由于計算模型的建立一般取構(gòu)件中心線或者中心面，構(gòu)件支座處的內(nèi)力計算結(jié)果一般較大，而支座處柱子和支撐墻范圍內(nèi)可以視為無限高的梁高，故一般可將支座處的內(nèi)力削峰至柱邊或墻邊。對于有限元計算模型，柱邊或墻邊的內(nèi)力可以直接從軟件上提取。對于手動計算構(gòu)件的彎矩可以通過公式M=M0-V×B/ 2+P/2×（B/2）2進(jìn)行削峰，M為構(gòu)件彎矩，M0為構(gòu)件中心點彎矩，V為剪力，B為支座寬度，P為線荷載。圖2、圖3分別為基本組合下不考慮剛域彎矩圖和剪力圖。圖4、圖5分別為基本組合下考慮剛域彎矩圖和剪力圖。

圖2　不考慮剛域彎矩包絡(luò)圖

從計算結(jié)果可以看出：

（1）在正常使用階段，頂板彎矩、剪力在中支座處達(dá)到最大值；底板在板端處達(dá)到最大值，靠近底板的側(cè)墻下部也有較大的彎矩和剪力。因此，針對這些部位，設(shè)計時要采用合理措施，如考慮板墻連接處結(jié)構(gòu)加腋及剛域/削峰的影響，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）中板最大彎矩較小，尚達(dá)不到頂板最大彎矩的20%，但是為了滿足變形協(xié)調(diào)條件，中板厚度不能只取頂板厚度的20%，否則中板撓度會不滿足規(guī)范限值要求。

（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)在地下二層范圍內(nèi)有較大的彎矩和剪力，因此，基坑越深，施工風(fēng)險越大。

圖3　不考慮剛域剪力圖

圖4　考慮剛域彎矩包絡(luò)圖

圖5　考慮剛域剪力圖

表2　削峰前后結(jié)構(gòu)配筋計算表

6　結(jié)語

本文以某地鐵車站為計算實例，分析了地鐵車站結(jié)構(gòu)荷載取值、結(jié)構(gòu)計算等問題，并利用有限元計算程序，分析了主體結(jié)構(gòu)設(shè)計計算過程中遇到的常見關(guān)鍵點，結(jié)合具體工程進(jìn)行了對比計算和分析，結(jié)果表明：

（1）頂、底板在板端和中支座處有較大的彎矩和剪力，針對這些部位，設(shè)計時要采用合理措施，如考慮板墻連接處結(jié)構(gòu)加腋及剛域的影響，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）中板承受彎矩較小，可以采用較小的厚度。但是為了滿足變形協(xié)調(diào)條件，中板厚度不能太薄，否則中板撓度會不滿足規(guī)范限值要求。

（3）為接近結(jié)構(gòu)實際的受力模式，極大地減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的含鋼量，需要考慮構(gòu)件連接處的加腋、剛域以及軸力的影響。

[1]《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157-2013）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]陳冬，王琪.地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2007（5）：52.

[4]羅旭.地鐵車站各設(shè)計狀況的結(jié)構(gòu)分析[J].都市快軌交通，2012，4（25）.

[5]伊興芳，張春雷.城市地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].甘肅科技，2009，1（25）.

U231

A

1673-0038（2015）30-0299-03

2015-7-12

冉冬琴（1988-），女，助理工程師，碩士，2010年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，巖土工程專業(yè)，主要從事城市軌道交通設(shè)計、地下隧道設(shè)計工作。