地鐵區(qū)間風(fēng)井結(jié)構(gòu)三維力學(xué)分析

秦 義

(遼寧賽特景觀裝飾工程有限公司，遼寧 沈陽 110166)

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地鐵區(qū)間風(fēng)井結(jié)構(gòu)三維力學(xué)分析

秦 義

(遼寧賽特景觀裝飾工程有限公司，遼寧 沈陽 110166)

介紹了地鐵區(qū)間風(fēng)井的特征，并以沈陽地鐵2號(hào)線南延線工程全運(yùn)路站—沈本大街站區(qū)間為例，探討了風(fēng)井結(jié)構(gòu)的三維計(jì)算方法，通過與二維計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，指出了二維計(jì)算的不足之處。

地鐵區(qū)間，風(fēng)井，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，三維模型

當(dāng)?shù)罔F區(qū)間長度過長時(shí)，需要在區(qū)間設(shè)置風(fēng)井，以避免在行車過程中兩列列車同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)區(qū)間內(nèi)。若兩列列車處于一個(gè)區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，由于列車的活塞效應(yīng)，會(huì)給列車和乘客帶來一系列的問題。區(qū)間風(fēng)井長寬高三個(gè)方向尺寸相近，具有明顯的三維效應(yīng)，傳統(tǒng)的二維斷面計(jì)算方法，往往不能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的受力情況，使得某些部位計(jì)算偏于保守，而某些部位又偏于不安全。本文通過某工程實(shí)例二維與三維計(jì)算的對(duì)比，總結(jié)了區(qū)間風(fēng)井的計(jì)算方法。

1 工程概況

沈陽地鐵二號(hào)線南延線工程全運(yùn)路站—沈本大街站區(qū)間，風(fēng)井位于沈陽國際軟件園附近規(guī)劃路與慧云路交叉口。風(fēng)井為三層三跨箱型框架結(jié)構(gòu)。風(fēng)井長25.7 m，寬16.5 m，高24.54 m，結(jié)構(gòu)頂板以上覆土厚度約4.2 m，底板埋深28.8 m。風(fēng)井采用明挖法施工。風(fēng)井所處位置主要為道路和空地，地表高程為48.7～49.23，場(chǎng)地較為平坦。場(chǎng)地地層主要由第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)粘性土、砂類土及碎石類土組成。地層分布見圖1，風(fēng)井結(jié)構(gòu)底板位于⑤-3中粗砂層。

場(chǎng)地巖土力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)建議值表

本工程場(chǎng)地范圍內(nèi)的地下水賦存于中粗砂、礫砂等土層中，按照埋藏條件劃分，屬第四系孔隙潛水。穩(wěn)定水位埋深為12.50 m～23.00 m，相當(dāng)于水位標(biāo)高29.11 m～30.14 m。地下水主要補(bǔ)給來源為渾河側(cè)向補(bǔ)給及大氣降水垂直入滲補(bǔ)給。主要排泄方式為徑流排泄和地下水的人工開采。抗浮水位取地表以下3 m計(jì)算。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載

1)永久荷載。

結(jié)構(gòu)自重：鋼筋混凝土容重按25 kN/m3計(jì)算。覆土荷載：按全部覆土荷載計(jì)算。側(cè)向水土壓力：砂性土地層采用水土分算，粘性土地層施工階段采用水土合算，使用階段采用水土分算。

2)可變荷載。

地面超載：按20 kN/m2考慮。人群荷載：按4.0 kN/m2考慮。施工荷載：包括施工機(jī)具荷載、堆載等，視具體情況考慮。設(shè)備荷載：按實(shí)際考慮。

3)偶然荷載。

地震荷載：按7度抗震設(shè)防烈度計(jì)算。

荷載簡(jiǎn)圖如圖2所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

二維計(jì)算選取風(fēng)井中部斷面進(jìn)行計(jì)算，采用“荷載—結(jié)構(gòu)”模型，按平面桿系有限元法進(jìn)行計(jì)算。風(fēng)井中柱等效為等面積中隔墻計(jì)算。分別用與壓縮剛度等效的水平、豎向彈簧模擬地層對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)墻水平位移和底板垂直位移的約束作用。二維斷面計(jì)算結(jié)果見圖3。

三維計(jì)算按風(fēng)井實(shí)際梁板柱布置及開洞情況建模，采用“荷載—結(jié)構(gòu)”模型，按三維有限元法進(jìn)行計(jì)算。分別用與壓縮剛度等效的水平、豎向彈簧模擬地層對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)墻水平位移和底板垂直位移的約束作用。三維模型如圖4所示。圖5，圖6分別給出了風(fēng)井側(cè)墻及頂板的彎矩計(jì)算結(jié)果。

二維與三維計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表2。由表2可知，在風(fēng)井中部斷面處由于受相鄰側(cè)墻約束作用較小，三維計(jì)算結(jié)果與二維計(jì)算結(jié)果相近。但在頂板中柱支座及中跨跨中處，由于二維計(jì)算模型

無法準(zhǔn)確模擬頂板、頂縱梁及中柱的剛度分配作用，二維計(jì)算結(jié)果中柱及中跨跨中處彎矩計(jì)算結(jié)果偏小，偏于不安全。

表2 風(fēng)井中部斷面彎矩計(jì)算結(jié)果對(duì)比

kN·m

由圖5可知，在側(cè)墻左右邊緣位置，由于受到相鄰側(cè)墻的約束作用，側(cè)墻彎矩明顯比風(fēng)井中部斷面處減小。且由于側(cè)墻兩個(gè)方向跨度比小于3，應(yīng)按雙向板配筋，相對(duì)于三維計(jì)算模型，二維斷面計(jì)算模型無法得到側(cè)墻水平方向的內(nèi)力，需要單獨(dú)計(jì)算，增加了計(jì)算量。頂板彎矩分布也有相同的規(guī)律，如圖6所示。

4 結(jié)語

二維計(jì)算無法得到水平鋼筋所需的內(nèi)力，以及端部板帶的內(nèi)力。三維計(jì)算可以一次性得到梁板柱的內(nèi)力，且可以根據(jù)內(nèi)力大小，分區(qū)配筋，亦使設(shè)計(jì)更加合理，減少不必要的浪費(fèi)。同時(shí)三維模型更能真實(shí)的反映風(fēng)井結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，減少因計(jì)算假設(shè)與實(shí)際結(jié)構(gòu)的偏差帶來的不安全因素。

[1] GB 50157—2013，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 殷 凱，何 李.地鐵區(qū)間風(fēng)井?dāng)嗝娼Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算研究[J].路橋科技，2014(6)：193-194.

[3] 彭長勝.地鐵超深中間風(fēng)井關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)和研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2016，60(4)：91-95.

[4] 丁春林.地鐵車站端頭井受力計(jì)算模型研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(5)：621-625.

[5] 高志宏.盾構(gòu)端頭井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的若干問題[J].四川建筑，2010，30(2)：153-155.

[6] 李慶來，付 怡.明珠二期工程南浦大橋地下車站臨江側(cè)端頭井結(jié)構(gòu)計(jì)算[J].地下工程與隧道，2001(4)：23-26.

3D structural analysis of metro intermediate ventilation shaft

Qin Yi

(SightLandscapeDecorationEngineeringCo.,Ltd,Shenyang110166,China)

This paper introduced the characteristics of metro section shaft, and from the Shenyang metro line 2 south extension Quanyunlu Station to Shenben Street Station section as an example, discussed the 3D calculation method of shaft structure, comparing with the 2D calculation results, pointed out the shortcomings of 2D calculation.

metro section, shaft, structure design, 3D model

2016-11-27

秦 義(1986- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2017)04-0052-02

TU311

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