鐵路車站人行地道結構配筋設計研究

摘要 文章以普速鐵路車站新建人行地道為背景，通過計算公式推導、Midas建模分析進行結構配筋設計。采用有限元模型受力計算和公式計算相結合的方法，對下穿鐵路人行地道框架結構受力主筋的直徑、根數進行設計，并采用框架結構配筋軟件驗證其準確性，為以后類似的框架結構配筋設計提供一定的參考。

關鍵詞 鐵路人行地道;框架結構;有限元模型;配筋設計

中圖分類號 U445.57文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2022）09-0102-04

引言

城市的鐵路建設完成后，一般都將城市分割成兩個區域，鐵路建設時兩側的區域發展并非均衡，因此穿越鐵路的通道在鐵路建設時期并未充分考慮。近些年來我國經濟飛速發展，城市規模在不斷地擴大，蓬勃發展的建成區逐漸將鐵路及車站包圍。城市發展需要交通的引導，鐵路兩側區域的連通需要穿越鐵路的通道，在道路與鐵路交叉穿越形式中，框架結構由于施工簡單、結構簡易等優點被廣泛使用[1]。城市火車站兩側建成區人口密集，鐵路車站附近人行流量巨大，車站兩端咽喉應設置人行通道，方便周邊居民、車站旅客通行，減少繞行。在過去的鐵路車站建設中，多數未考慮車站兩側的連通。近些年來下穿既有車站的人行通道建設越來越多，其中人行通道結構配筋的關系到工程安全，應當引起重視。該文結合具體案例，對人行通道結構配筋進行了詳細論述。

1 項目背景

淮南站處于安徽省淮南市，為中國鐵路上海局集團所管理的二等車站，是淮南鐵路、阜淮鐵路上的重要站點?；茨险臼腔茨鲜凶畲蟮蔫F路客運、貨運站，2019年11月改造后新站房正式投入使用?；茨险菊颈睆V場與舜耕中路相鄰，站南與洞山東路相鄰，車站南北兩側均是建設成熟的片區，結合淮南站改建工程，新建地下人行通道與南北道路相連，能夠為旅客進出站和四周居民出行帶來極大便利，提升整個淮南站的便民服務功能。

該文依托淮南站新建人行地道項目，通過有限元模型計算和公式計算，對人行地道框架結構配筋進行設計，并與設計軟件配筋結果對比，能夠為以后的類似項目提供參考。

2 計算公式

2.1 計算依據

依據《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》（TB 100092

—2017）中的條文規定，框架結構設計計算采用容許應力法[2]。各材料容許值按以下取用：

混凝土：C40，[σb]=13.5 MPa;鋼筋：HRB400：主力時[σs]=210 MPa，主力+附加力時[σs]=270 MPa。

框架結構在進行強度計算時，不考慮混凝土受拉，拉力全部由鋼筋承受。

人行地道框架結構頂板和底板取單位寬度按照受彎梁進行計算，邊墻取單位寬度按照偏心受壓構件進行計算。

2.2 受彎構件計算

受彎構件按雙筋矩形梁進行設計，先假設受壓、受拉區鋼筋面積，然后計算材料應力進行復核。

采用換算截面和內力偶進行計算。受拉區鋼筋的換算截面面積為，受壓區鋼筋的換算截面面積為，換算截面總面積為：。

中性軸通過換算截面的形心，即，可得下式：

（1）

由式（1）可解得：

（2）

式（2）中，;

。

內力偶臂，其中y為壓應力的合力D至中性軸的距離，則有：

（3）

式（3）中，Ia——受壓區截面對中性軸的慣性矩;Sa——受壓區截面對中性軸的靜矩。

通過式（1）～（3）可求出鋼筋和混凝土應力：

受拉鋼筋應力：

混凝土最大壓應力：

受壓鋼筋應力：

2.3 偏心受壓構件計算

在容許應力法中，偏心受壓構件在計算前需要判斷大、小偏心。

如果是小偏心受壓，軸向壓力作用在截面核心之內（e0≤k），這時截面是全部受壓，即中性軸在截面外;如果是大偏心受壓，軸向壓力作用在截面核心之外（e0>k），這時截面是部分受壓、部分受拉，即中性軸在截面內[3]。

經過計算，設計中邊墻為大偏心受壓構件，可考慮設計按不對稱配筋，相關的計算公式及過程如下：

2.3.1 確定中性軸位置（求x）

對軸向壓力N的作用點取矩，，得出下式：

（4）

由式（4）得出的關于x的一元三次方程有可能出現平方項，為了求解方便，以y為變量進行代換，令，則有：

（5）

（6）

（7）

將式（5）～（7）代入式（4），簡化得出下式：

（8）

式（8）中，

;。

計算得出：

（9）

由上述y值，可求得混凝土受壓區高度。

2.3.2 截面應力計算

根據對混凝土截面重心取矩的平衡條件，即0，得出下式：

（10）

由于

，，

代入式（10），可得：

整理后得：

≤ （11）

由應力比例關系得：

≤;≤

上述式（4）～（11）各式中，

N——計算軸向壓力;

e——N到混凝土截面重心的距離;

、——分別為受壓鋼筋、受拉鋼筋的面積;

、——分別為的壓應力、的拉應力;

、——分別為到、的距離;

、a——分別為、到截面邊緣的距離;

g——N至受壓邊緣的距離;

x——受壓區高度;

y——N至中性軸的距離;

——受壓區混凝土壓應力的合力;

——混凝土受壓邊緣的最大壓應力;

b、h——截面短邊、長邊的長度。

3 有限元模型計算

設計新建人行地道結構總寬為13.8 m，結構內凈寬為12.0 m，邊墻厚為0.9 m;結構總高為6.8 m，結構凈高為5 m，裝修后凈高為3.5 m，頂板厚為0.9 m，底板厚為0.9 m;通道總長度約為122 m。結構選用C40混凝土和HRB400鋼筋。

3.1 模型建立

框架結構利用Midas Civil軟件建立有限元模型，并進行受力分析。頂底板及邊墻采用板單元進行模擬，地基采用彈簧單元模擬[1]，取10 m長為計算單位。

框架結構模型施加的荷載包含恒載和活載。其中：恒載包含結構自重、線路設施重、混凝土收縮、土壓力、路面重量;活載包含ZKH活載、活載土壓力、制動力、行包車荷載和人行荷載[4]。

3.2 內力分析

利用Midas Civil軟件對模型進行計算，提取以下三種荷載組合情況下的計算結果：①主力=恒載+ZKH活載+行包車荷載+活載土壓力，②主力+附加力=主力+制動力+整體升溫，③主力+附加力=主力+制動力+整體降溫。

3.2.1 主力作用下計算結果

根據Midas計算結果，提取主力作用下框架結構內力示意圖（如圖1、圖2）。

3.2.2 主力+附加力作用下計算結果

根據Midas計算結果，提取主力+附加力作用下框架結構內力示意圖（如圖3～6）。

3.2.3 內力結果

根據Midas計算結果，提取頂板、底板和邊墻主要截面處的單元內力（彎矩M、剪力V、軸力N）匯總如表1。

3.3 主筋配筋及驗證

根據計算公式和Midas模型提取內力，計算框架結構主筋配置直徑及根數，計算結果列表如表2。

采用配筋軟件鐵路框架橋CAD系統對人行地道框架結構進行設計，材料圖顯示配筋結果：①頂板上緣鋼筋為4根?25鋼筋，頂板下緣鋼筋16根?25鋼筋;②底板上緣鋼筋為14根?25鋼筋，底板下緣鋼筋4根?25鋼筋;③邊墻外側為12根?25鋼筋，邊墻內側為8根?16鋼筋。軟件計算結果與公式計算結果基本一致，表明有限元模型及公式計算配筋具有一定的準確性和可應用性。

4 結語

該文以新建鐵路人行地道設計為基礎，通過對受彎構件、偏心受壓構件計算公式進行推導，結合Midas有限元模型受力計算，介紹了鐵路框架結構配筋設計的方法;并與鐵路框架橋配筋軟件的設計結果進行對比，計算配筋與軟件配筋結果基本一致，驗證了計算配筋方法的準確性和可應用性，能夠為同類項目的結構設計提供一定的參考。

參考文獻

[1]張瑋. 鐵路斜交框架橋混凝土裂縫成因及控制[J]. 四川建筑， 2009（1）： 203-204.

[2]鐵路橋涵混凝土結構設計規范： TB100092—2017[S]. 北京：中國鐵道出版社， 2017.

[3]孫元桃. 結構設計原理（第5版）[M]. 北京： 人民交通出版社， 2021.

[4]楊建良. 鐵路框構橋設計體會[J]. 鐵道標準設計， 2009（3）： 80-82.

收稿日期：2022-03-15

作者簡介：楊偉（1990—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：橋梁工程。