基于不同覆土厚度的地鐵車站無梁結(jié)構(gòu)體系受力性能研究

李玉潔

（中鐵上海設(shè)計院集團有限公司,上海 200070）

0 引言

近年來，我國軌道交通的發(fā)展勢頭十分迅猛，對于地鐵車站來說，采用無梁結(jié)構(gòu)體系不僅能解決為滿足凈空要求帶來的工程造價增加的問題，還能便于管線鋪設(shè)，使管線的鋪設(shè)更加靈活[1]。同時，無梁結(jié)構(gòu)頂板的平整和整體性較好，頂板防水效果得到顯著提升。因此，對于地鐵車站無梁結(jié)構(gòu)體系的受力性能研究具有十分重要的意義。

該文以蘇州某標(biāo)準(zhǔn)單柱雙跨島式車站為研究背景，運用Midas Gen 軟件對該車站在不同覆土厚度下頂板的受力性能展開對比分析，提出了無梁結(jié)構(gòu)體系的相關(guān)設(shè)計要點。

1 工程概況及模型方案

1.1 工程概況

蘇州軌道交通3 號線某車站為地下兩層單柱雙跨島式車站，車站主體結(jié)構(gòu)外包總長198.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m。車站中柱尺寸0.8 m×1.1 m，柱距9 m，圍護結(jié)構(gòu)采用800 mm 厚地下連續(xù)墻，車站標(biāo)準(zhǔn)段斷面圖如圖1 所示。

圖1 車站標(biāo)準(zhǔn)段斷面圖

1.2 模型方案

（1）模型對比方案。運用Midas Gen 軟件建立地鐵車站基本三維模型，為節(jié)省軟件運算時間，對車站主體結(jié)構(gòu)取半建立基本三維模型，如圖2 所示。

圖2 車站基本三維模型圖

在基本三維模型基礎(chǔ)上建立6 組對比分析模型，分析模型如表1 所示。

表1 分析模型

（2）單元選取。模型中頂、中、底板及側(cè)墻均采用板單元進(jìn)行模擬，混凝土強度等級為C35；梁、柱采用梁單元模擬，混凝土強度等級為C35、C45。梁、板單元網(wǎng)格劃分長度為0.5 m（研究區(qū)域細(xì)化后為0.2 m），滿足數(shù)值模擬精度和工程需求。

（3）邊界條件及荷載施加[2-3]。對于結(jié)構(gòu)底板，用彈性支撐來模擬土體作用，選擇面彈性支撐轉(zhuǎn)換為彈性連接，輸入底板所在土層的基床系數(shù)，彈性連接長度為1 m。

該車站圍護結(jié)構(gòu)采用地連墻，與內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)墻組成復(fù)合墻結(jié)構(gòu)形式，在永久使用階段圍護結(jié)構(gòu)承受外側(cè)土壓力作用，內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)墻僅承受水壓力。頂板恒載按γh計算（γ為覆土容重，一般取18.5 kN/m3，h為覆土厚度），地面超載取20 kPa；中板恒載取5 kPa，活載取8 kPa，底板水浮力作用及側(cè)墻水土壓力作用均根據(jù)相應(yīng)覆土厚度確定。

2 主要計算結(jié)果分析

選取頂板一邊格板（如圖3 矩形框所示），沿x軸和y軸按1 m 劃分為9 個板格條帶，以所選板格左上角角點為坐標(biāo)原點（0,0）建立坐標(biāo)系(上邊緣為墻邊，下邊緣為柱邊)，得到x軸與y軸方向的內(nèi)力分布。

圖3 板帶選取示意圖

分析模型A 所選的板格主受力方向Myy云圖如圖4所示。

現(xiàn)對模型A 及其余各模型計算結(jié)果中取x=1、x=5、x=8 的同區(qū)域板帶，提取相應(yīng)計算分析數(shù)值后，分別繪制Myy內(nèi)力（主受力方向）對比曲線，如圖5 所示。

圖5 相同板帶區(qū)域Myy 變化曲線

不同覆土厚度下各模型的雙向彎矩、剪力最值如表2 所示，正負(fù)彎矩板帶寬度如表3 所示。

表2 不同覆土厚度下內(nèi)力最值

表3 不同覆土厚度下正負(fù)彎矩板帶寬度

根據(jù)各模型彎矩云圖、變化曲線以及表2~3 分析可知：

（1）隨著覆土的增加，各模型板帶Myy內(nèi)力變化規(guī)律一致，基本呈線性增長趨勢，且最大正負(fù)彎矩位置與常規(guī)地鐵車站梁柱結(jié)構(gòu)體系一致，同時得出以下規(guī)律：

①y=1~6 時，Myy變化規(guī)律一致，Myy內(nèi)力與梁柱體系下內(nèi)力基本一致，由于內(nèi)力重分配的作用，局部內(nèi)力會小于梁柱體系下內(nèi)力，此范圍內(nèi)配筋按照梁柱體系下最大正負(fù)彎矩指導(dǎo)Myy配筋；

②y=7~9 時，即柱支座影響范圍內(nèi)，Myy均大于梁柱體系下彎矩值，該范圍需根據(jù)實際彎矩值進(jìn)行針對性設(shè)計。

（2）由表2 可知，隨著覆土的變化，最大剪力值為呈線性增加的趨勢，線性關(guān)系近似為Vmax=600H+2100（H為覆土厚度/m）。經(jīng)驗算，當(dāng)覆土厚度為大于1.5 m 時，剪力值大于3 090 kN，不滿足頂板厚800 mm 的抗剪承載力要求，因此，應(yīng)考慮增加板厚、增設(shè)柱帽等方式。

（3）由表3 可知，隨著覆土的增大，受拉板帶寬度不發(fā)生變化，表明覆土厚度變化對Myy的各支座范圍內(nèi)板帶寬度的影響不大。在覆土厚為1.5~4 m 時，墻邊上側(cè)受拉板帶寬度可取1.4 m，跨中下側(cè)受拉板帶寬度可取5.5 m，柱范圍內(nèi)上側(cè)受拉板帶寬度可取2.1 m。

3 框柱影響半徑及柱帽范圍

3.1 框柱影響半徑

由于覆土厚度的增加對彎矩值和剪力值的變化基本呈線性增加，因此，當(dāng)頂板在柱附近處的彎矩等于墻邊支座彎矩時定義柱在x軸方向的影響半徑Rx。

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》[4]規(guī)定車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫限值為0.3 mm，分布鋼筋的配筋率不宜低于0.2%。通過計算，根據(jù)Mxx方向的彎矩，可定義當(dāng)柱范圍頂板（板厚800 mm 情況下）的彎矩為300 kN·m 為柱在y 軸方向的影響半徑Ry。不同覆土厚度下Rx、Ry值見表4 所示。

表4 不同覆土厚度下Rx、Ry 值

由表2、表4 可得以下規(guī)律：

（1）覆土厚度增加時，作用在頂板上的荷載增加，柱范圍內(nèi)與墻邊支座作用一致的位置變形增加，支座作用得到削弱，使得與墻邊支座作用相同的位置繼續(xù)往柱邊靠近，Rx從3.6 m 線性減小至1.4 m，影響半徑呈減小趨勢。

（2）覆土厚度的增加會使得墻、柱支座作用相對削弱，從而降低原位置處支座負(fù)彎矩，框柱一定范圍內(nèi)Mxx增加幅度明顯大于Myy，綜合支座效應(yīng)和彎矩增加幅度，導(dǎo)致Ry數(shù)值基本無變化，均為2.6 m。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)及分析可以得出，隨著覆土的變化，框柱橫向的影響無變化，框柱縱向的影響范圍擬合公式近似為Rx=3.4-0.5H（H為覆土厚，2.0 m ≤H≤4.0 m）。

3.2 柱帽設(shè)置

在頂板厚度受彎和抗剪計算不滿足要求時，頂板需要加厚，加厚區(qū)域即為柱帽設(shè)置區(qū)域。分別定義柱帽橫向長度為Dx（柱帽寬度的一半）與縱向長度Dy（柱帽長度的一半）。通過對計算結(jié)果的提取，得出不同覆土厚度下的Dx和Dy的最大包絡(luò)值，并繪制Dx和Dy變化曲線，如表5 和圖6 所示。

表5 不同覆土厚度下Dx、Dy 值

圖6 Dx 和Dy 變化關(guān)系曲線

通過表5 和圖6 可知，Dx與Dy基本呈線性增加，表明覆土的變化對柱邊板帶彎矩有一定的影響，在覆土為1.5~4.0 m 時，對Dx與Dy可用線性公式進(jìn)行擬合，可得出Dx=0.2+0.1H，Dy=0.2+0.1H（其中H為覆土厚，單位均為m）。

4 結(jié)論

該文通過對某地鐵車站在不同覆土厚度情況下運用Midas Gen 進(jìn)行有限元分析，得出以下幾個主要結(jié)論：

（1）在不同覆土條件下，各分析模型內(nèi)力變化規(guī)律相同，無明顯突變點，最大正負(fù)彎矩、最大剪力均呈線性變化[5]。

（2）通過對各模型的內(nèi)力分析，得到各模型正負(fù)彎矩板帶寬度，實際工程中可以此來對該區(qū)域進(jìn)行合理加強配筋。

（3）對于一般地鐵車站覆土大于1.5 m，板厚為800 mm 的情況下，均需設(shè)置柱帽來滿足頂板抗沖切要求。

（4）通過對柱帽尺寸的包絡(luò)設(shè)計，得出柱帽范圍的一般性規(guī)律，類似工程中可以參考以確定增設(shè)柱帽的范圍，并對柱帽合理設(shè)計，來滿足頂板抗沖切要求。

（5）該文對常規(guī)地鐵車站頂板板厚為800 mm 情況下，進(jìn)行不同覆土情況下的受力分析，得出了一般性結(jié)論，后續(xù)研究和工程應(yīng)用中應(yīng)考慮對柱跨、板厚等情況進(jìn)行進(jìn)一步分析，以確定更為合理的地鐵車站無梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。