地鐵車站中板異形大開孔受力分析

1 引言

隨著城市建設規模的不斷擴展， 為最大限度地吸引客流及方便乘客出行， 軌道交通車站對建筑功能及運營使用提出了更高的標準和要求[1]，結構型式也更復雜。 如何更好地提升換乘車站建筑功能、改善乘車舒適度及解決復雜結構型式，是車站設計的關鍵。 常規地下車站結構板采用縱向主梁+ 局部針對開孔設置孔邊梁的受力體系。 為滿足車站公共區功能提升，樓扶梯布置集中在站臺中央，以至于車站縱梁無法連續；樓扶梯孔均為8~14 m 大孔， 導致開孔周邊的中板受力特殊，同時較多開洞必將削弱地下結構抗震能力。

目前， 相關學者就地下車站的開孔及地震響應進行了諸多研究，主要為標準車站地震作用分析[2]以及側墻開孔[3]、軌排井開孔[4]等規則孔洞分析，也有就無柱車站中板結構受力進行分析[5]。但是針對不規則開孔以及中板縱梁不連續的結構受力分析和地震影響分析尚不多見。 本文依托成都地鐵某條地鐵線不同公共區建筑布置的異形開孔結構設計進行分析， 并對結構布置提出合理化建議，為地鐵車站結構設計提供參考，使結構設計更安全、合理、經濟。

2 單柱雙跨車站

以某單柱雙跨車站為例，車站公共區凈寬度18.3 m，公共區采用兩組雙扶梯加一組樓梯的布置形式， 兩組雙扶梯沿中心里程對稱布置，一組樓梯和無障礙電梯布置于中心里程處，樓梯一般呈T 形布置。 中板樓梯與無障礙電梯大開孔尺寸8.05 m×7.55 m，扶梯單個開孔為1.84 m×12 m。中板厚度400 mm；地下一層層高5.8 m，地下二層層高6.7 m。 抗浮水位在地面下1 m。 公共區樓扶梯布置如圖1 所示。 中板典型大開孔孔邊梁結構平面布置及結構橫剖面，詳見圖2 和圖3。

圖1 公共區建筑布置

圖2 站廳層開孔結構梁布置

圖3 樓梯開孔處中板橫斷面布置

2.1 結構布置設計

傳統設計中通常針對縱梁中斷通過KBL1 轉換受力。KBL1 高度將影響軌頂風道過風面積及敷設設備管線后站臺層層高。 如何兼顧結構受力和最經濟、使用效果好的站臺層高為本方案研究的重點。 KBL1 凈跨8.9 m，KBL2 凈跨8.25 m，KBL3 凈跨12 m。 針對該類型開孔常規設計考慮方案a 采用全暗梁最大限度節省使用空間， 方案b 按照跨高比擬用梁高0.8 m，通過MIDAS GEN 有限元軟件建立荷載結構模型，進行三維數值模擬進行受力比較分析得出如圖4 所示：（1）方案a及方案b 中板及孔邊梁的撓度與內力值均能滿足鋼筋混凝土構件的正常使用極限狀態和承載能力極限狀態。 其中方案b在中板撓度控制效果較好， 方案a 中板相對于其他未開孔區域產生較大變形。 （2）方案a 由于孔邊梁剛度較小，孔邊梁受力較小， 中板彎矩較之方案b 彎矩較大， 跨中彎矩增幅約65%，支座彎矩增幅約23%。

可以說，在薄伽丘的《十日談》中，女性不再是男人的附屬品。無論出身何種社會階層，無論外表是美是丑，無論性格是堅強還是軟弱，她們都勇于追逐愛情，遵從自己內心世界的秩序。而她們頭腦中的智慧，正是決定命運之舟前進方向的舵盤。無論是與文學傳統相較，還是作為現實生活的對比，這種強烈的自我意識，甚至在某種程度上，可以說是“男女平等”意識的萌芽，是《十日談》中傳遞的女性觀。

采用有限元軟件建立荷載結構模型，進行三維數值模擬。

圖4 內力、變形對比表

通過以上結果可知，方案a 具備梁高小，站臺層空間大的優勢，但同時結構板受力加大，變形較常規中板段發生較大差異。 方案b 結構梁改善中板受力，傳力清晰，但梁高將影響軌頂風道及設備管線敷設空間。 由此，提出方案c 將影響結構凈空的KBL1 設置為變截面梁。 在中縱梁搭接處梁高800 mm，軌頂風道區域梁高500 mm，如圖5 所示。 如圖6 所示，方案c有效兼顧了梁高小，站臺層空間大的優勢，同時結構板受力清晰，結構經濟安全。

圖5 變截面KBL1 剖面示意

圖6 方案a、b、c 計算內力、變形對比表

2.2 地震作用下受力分析

本項目場地抗震設防烈度為7 度， 設計地震分組為第三組， 地震動峰值加速度為0.10g， 地震反應譜特征周期為0.45 s，場地類別為Ⅱ類。 采用反應位移法進行地下車站結構橫向地震反應計算。

2）中板孔洞、中板縱梁局部中斷削弱了結構體系的橫向抗震能力，較之未開孔常規區段中板橫向變形增大12%。中縱梁中斷位置中柱的橫向內力最大。 同時受中板孔洞橫梁影響，在孔洞橫梁區段、中板縱梁局部中斷區段的中柱處，中縱梁橫向內力最大，易發生彎剪破壞，是橫向抗震能力的薄弱部位。

地震時土層沿深度方向的水平位移分布為式（1）：

Nav_points提供根據規劃的路徑完成Rovio平臺和ROS之間控制命令的傳輸。算法用geometry_msgs::PoseArray表示規劃的路徑軌跡，并進行RVIZ可視化處理，在模擬的幾何地圖上實時顯示機器人的運動。

式中，U （z） 為地震時深度z 處土層的水平位移；z 為深度；μmax為場地地表最大位移；H 為地面至地震作用基準面的距離。

土層相對位移的作用， 通過在模型中的地層彈簧非結構連接端節點的水平方向上施加強制位移來實現。 側墻節點土層相對位移參數如圖7 所示。

圖7 土層相對位移參數

式中，τ 為結構單位面積上作用的剪力；Gd為動剪切變形系數。

根據計算結果分析如下：

圖8 方案c 在地震作用下彎矩值（單位：kN·m）

圖9 方案C在地震作用下水平位移值（單位：mm）

采用反應譜法計算土層位移， 通過土層位移微分確定土層應變，最終通過物理關系計算土層剪力。 將地震摩擦力沿深度變化假設為正弦函數，可按式（2）計算出地震摩擦力：

結構慣性力通過對結構整體施加水平地震峰值加速度來實現，由程序自動計算施加在模型節點處的節點力。

計算可得作用于結構頂板剪切力標值：τu=9 kN/m，結構底板剪切力標準值：τB=242 kN/m， 結構側墻剪切力標準值：τs=（τu+τB）/2=125.5 kN/m。

由計算結果分析如下：

1）在開孔區域，由于布設了橫向梁后結構板改為雙向受力，且孔洞造成內力重分布后，開孔段邊支座彎矩較未開孔段增加或減少（取決于孔洞距離側墻的距離），中支座彎矩及跨中彎矩較未開孔段減少。 E2 地震作用下，由于結構周邊土體的約束作用以及橫向梁改善受力后， 開孔段較之未開孔段受地震作用影響小3%。 配筋均受裂縫控制，其余部位內力均為非控制因素，僅需按抗震設防要求進行構造措施處理。

新能源電站集控中心統一綜合防誤系統//滕井玉,金巖磊,王言國,張軍華,葛立青,吳俊//(11):157

S7-200 PLC在監控系統中起到核心作用，需要采集具備modbus RTU通訊協議的變頻器信息與具備USS通訊協議的變頻器信息，所以在選用上選擇至少具備2個串行通訊口的S7-200 PLC[5]。

3）地震作用下負二層相對水平位移差4 mm，負一層水平位移差2 mm。 結構最大彈性層間位移角為1/1 675。 結構仍處于彈性變形狀態，滿足E2 地震作用下抗震性能Ⅰ的要求。

以3 層雙柱3 跨車站為例，車站共區凈寬度21.7 m。 公共區采用3 組樓扶梯加1 組垂直電梯的布置形式，2 組樓扶梯于中心里程兩側布置，1 組扶梯和垂直電梯結合布置于中心里程附近。 中板扶梯與垂直電梯大開孔尺寸為異形3.9 m×12 m 與2.4 m×3 m 結合， 扶梯單個開孔為6.1 m×14.2 m。 中板厚度400 mm；站廳層層高6.15 m，設備層層高6.45 m，站臺層層高6.9 m。車站抗浮水位在地面下1 m。公共區樓扶梯在設備層與縱梁沖突，布置如圖10 所示。

由表5可知，回歸模型的F值為1012.456，大于F0.01(2， 2)。因此，可認為在顯著性水平為0.01的情況下，Y對X1和X2的線性關系顯著，模型可通過顯著性檢驗。將式(3)和式(4)帶入式(5)中，即可得到關于Y與x1～x5之間的多元線性回歸模型，如式(6)所示：

3 雙柱3 跨車站

由圖2可知，感官評分與紅茶濃度和浸泡溫度具有明顯的二次拋物線關系，隨著浸泡溫度和紅茶濃度的增加，感官分值呈現先增加后下降的趨勢。當A因素(紅茶濃度)和C因素(浸泡溫度)向峰值方向移動時，C因素等高線密度明顯變小。當C因素水平較低時，等高線密度較稀疏；當C因素水平達到35 ℃以上時，響應面變陡，等高線密度變密，表明C因素在高水平時對響應值的影響顯著。當A因素水平較低時，響應面較陡，等高線密度較密，表明A因素在低水平時對感官分值影響顯著。

圖10 設備層公共區建筑布置

該類型建筑布置給結構布置帶來的難點在于設備層扶梯與垂直電梯結合孔洞異形， 引起中板縱梁無法連續以及孔邊梁設置不利于結構梁板傳力。 針對該問題，結構布置提出以下兩種方案：方案1——將垂直電梯側壁設置為300 mm 鋼筋混凝土墻，參與車站結構受力，孔邊梁可結合混凝土墻設置；方案2——設置橫梁及孔邊暗梁，詳見圖11。

圖11 方案1 與方案2 設備層開孔結構布置

集中有關部門研究和開發新型職業農民教育的發展規劃、資源利用、技術轉化、政策扶持、資金投向以及培訓效果評價、培訓功能開發、培訓對象需求、項目立項等方面的課題，正確引導新型職業農民教育培育工作持續穩定和較快發展。

3.1 結構受力分析

根據計算， 方案1 與方案2 中板受力及變形如圖12 所示。 方案1 由于中隔墻改善中板受力，內力及變形值相對更小。

圖12 方案1 與方案2 內力、變形對比表

3.2 地震作用下受力分析

土層相對位移的作用， 通過在模型中的地層彈簧非結構連接端節點的水平方向上施加強制位移來實現。

作用于結構頂板剪切力標值：τu=3.6 kN/m， 結構底板剪切力標準值：τB=201.8 kN/m，結構側墻剪切力標準值：τs=（τu+τB）/2=102.7 kN/m。

結構慣性力通過對結構整體施加水平地震峰值加速度來實現，由程序自動計算施加在模型節點處的節點力。

經計算， 方案1 與方案2 在地震作用下內力及變形數值如圖13 所示。

圖13 方案1 與方案2 地震組合內力、變形對比表

經計算， 方案c 在地震作用下內力及變形數值如圖8 和圖9 所示。 圖8 和圖9 中1a 為未開孔區域標準組合值；1b 為未開孔區域地震組合值；2a 為扶梯孔區域標準組合值；2b 為扶梯孔區域地震組合值；3a 為樓梯孔區域標準組合值；3b 為樓梯孔區域地震組合值。

相關抵消對于信號估計是最佳線性處理方法，利用線性變換去掉信號x(N維)、y(M維)之間相關的部分.假設對y進行線性變換的矩陣是H，且y與x相關的部分為

1）方案1 結合垂直電梯井壁設置混凝土隔墻方式結合中板梁柱使傳力更加規則清晰， 較之方案2 部分中板處于懸臂的工況，方案2 梁板內力更小，位移更小。同時方案1 較方案2側站臺寬度增加400 mm，使用功能更優。

2）在地震作用下，方案2 設置的橫梁有效改善了結構板開孔狀態下的水平位移，主要受控于懸挑板的豎向位移。

3）方案1 及方案2 配筋均受裂縫控制，地震作用為非控制因素，僅需按抗震設防要求進行構造措施處理。

4）水平位移值未因為縱梁中斷發生變化。 地震作用下負三層水平位移差5 mm，負二層水平位移差2 mm，負一層水平位移差1 mm。 結構最大彈性層間位移角為1/1 260。 結構仍處于彈性變形狀態，滿足E2 地震作用下抗震性能Ⅰ的要求。

近年來，阻燃劑產業迎來高速發展，其產量增長顯著。早在2003年，全球范圍內阻燃劑的使用量便已突破百萬噸大關，幾乎趕上當時增塑劑的使用量，一躍成為第二大塑料助劑，并且從2003年開始，阻燃劑市場呈穩步增長趨勢。2013年，全球范圍內的阻燃劑使用量達到195萬t，同年國內阻燃劑使用量為30萬t，其中塑料用阻燃劑消費量占80% [6]。

4 結論

1）在單柱雙跨中板異形開孔的情況下，可設置中板橫梁轉換受力， 橫梁可結合撓度、 內力及層高要求選擇變截面設計，可有效實現撓度小、使用空間大、受力合理的特點。

2）在雙柱三跨中板異形開孔的情況下，可結合垂直電梯井壁設置混凝土隔墻方式結合中板梁柱體系改善受力， 也可采用孔邊梁的型式解決中板異形開孔的結構受力問題。 從中板彎矩、剪力、變形等方面比較，前者傳力模式清晰，可有效改善后者中板剪力較大的情況。

3）中板大范圍、不規則的公共區開孔從而引起的中縱梁無法連續等，削弱了結構體系的橫向抗震能力，引起結構板在地震作用下位移的加大，是結構體系的薄弱環節。