地铁车站端头井处设计研究

芦 宇 亭

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

地铁车站端头井处设计研究

芦 宇 亭

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

结合哈尔滨地铁一号线二期某车站案例，利用有限元分析软件SAP2000建立了端头井处三维模型，简要介绍了地铁主体结构计算的荷载类型与荷载组合，分析了建模时需要注意的问题，以求更准确的模拟地铁盾构井结构在不同工况下的受力状态，通过对比二维与三维模型内力结果，对设计提出更合理建议。

地铁，端头井，设计，有限元

0 引言

在地铁结构中，由于车站为长条形结构，标准段为典型纵向平面受力结构，以平面应变为主，故可沿纵向取单位长度进行典型断面结构分析。端头井作为地铁区间隧道施工时供盾构拼装、拆卸或调头的空间，既是盾构施工工作井，又是地铁车站设备用房的一部分。因此，在施工阶段，盾构端头井的顶、中板需预留盾构吊装孔。大面积开洞将大幅削弱结构的水平刚度，顶、中板无法对侧墙提供支撑，这就要求使用转换结构来平衡侧向水土压力，在侧墙处设置壁柱。在楼板开洞处的侧墙位置设置水平框架梁，与结构的纵梁形成一道环梁。由于平面框架计算的方法无法完成端头井的特殊受力计算要求，故一般采用有限元软件进行三维建模，如SAP2000，ANSYS等。

1 工程概况

哈尔滨地铁一号线二期某车站采用钢筋混凝土双层双跨，局部多跨箱形框架结构。为地下2层标准岛式车站。车站内包尺寸为224.2 m(长)×18.3 m(宽)/22.1 m(盾构加宽处)，站台宽度11.0 m，地下1层为站厅层，地下2层为站台层。抗浮水位为128.5 m。有效站台中心里程处轨面标高为120.545 m，底板埋深约为16.985 m，顶板覆土厚约3.125 m。顶板厚度为0.80 m，中板厚度为0.40 m，底板厚度为1.0 m，侧墙厚度为0.8 m，框架柱b×h=700 mm×1 400 mm，3层板的主要梁截面b×h分别为:1 200 mm×2 000 mm，800 mm×1 000 mm，900 mm×2 200 mm(见图1～图3)。

2 计算参数

2.1 计算模型的选取

模型尺寸需根据车站结构尺寸，按中心线确定。考虑标准段结构与端头井结构之间的影响，模型包含一跨标准段。计算长度从端头井端板起，到相连车站标准段的第一条诱导缝为止，共长23.7 m。

2.2 计算荷载类型与荷载组合

地铁车站埋于地下，结构构件之间、结构与土体间共同作用，荷载种类繁多，是一个复杂的空间结构体系。

1)永久荷载。

结构自重由软件自身计算。土侧压力:施工阶段，主、被动土压力按朗肯土压力公式计算侧向土压力，使用阶段按静止土压力计算(见图4)。顶板覆土，容重γ=19.5 kN/m3。设备荷载:大型设备荷载按实际取值，其值不小于8.0 kPa。水侧压力由其抗浮水位决定(见图5)。

2)可变荷载。

路面超载：q=30 kN/m2；人群活载：q=4 kN/m2；施工荷载：q=20 kN/m2。

3)偶然荷载。

按地震设防烈度6度计算其地震作用。人防荷载按六级人防进行考虑，仅用于验算结构强度，未计入结构内力包络中。

4)荷载组合见表1。

车站主体结构计算按底板作用在弹性地基上的框架结构进行内力计算。通过计算分析可知，地震和人防工况不起控制作用，组合1基本组合为最不利组合，直接组合1的内力包络值进行结构配筋设计。

表1 荷载组合表

2.3 荷载工况

施工阶段。顶、中板设盾构吊装孔。这个阶段，只考虑的是自重工况。主要是横框架，侧墙，端墙的受力分析，荷载主要考虑地面堆载、侧壁堆载、土侧压力、施工荷载，共四种荷载。

使用阶段。分自重工况与水反力工况两个受力工况进行计算，主要分析顶、中、底三层板以及相应梁柱的受力状况。

自重工况：考虑的是结构在重力方向的最不利状态。因此，考虑的荷载有以下几种：在使用阶段，由于顶、中板的盾构吊装孔封闭，顶板将承受覆土荷载以及地面超载；中板承受设备荷载；侧壁水、土压力；侧壁超载，共六种荷载。

水反力工况：考虑在水反力作用下的端头井内部结构受力最不利状态。因此，考虑的荷载有以下几种：顶板覆土荷载；侧壁水压力；侧壁土压力；底板水反力，共四种荷载。

3 端头井计算

该车站采用SAP2000v15.1进行三维空间有限元分析。结构计算模型见图6。

计算时需要注意的问题：

三维模型由框架单元和面单元组合而成。梁和柱采用框架单元，结构顶、中、底板及侧壁采用Shell单元。布置梁单元的时候，要考虑到梁实际的偏心情况，在建模中需要对梁的抗弯刚度进行修正。

由于梁、板、柱和墙单元节点在相同位置处以共节点的方式来反映各构件的共同作用变形。在按四边形和三角形有限元划分的时候要注意节点的耦合。

结构计算模型支承在弹性地基上，基底用土弹簧模拟。二维平面框架采用只能受压不能受拉的单向弹簧(Gap单元)进行连接。有效刚度取垂直基床系数×作用面积，并约束相关节点的平动和转动自由度。三维模型与土接触的面采用单向受压的面弹簧(Area Springs单元)。弹簧系数的大小由地质报告加以确定。本计算中采用26 000 kN/m3。

本站端头井侧墙处开设大面积洞口，连接风亭与主体结构，在建模过程中需要将洞口周边的点加以U2方向的约束。端头井与标准段结构连接处添加绕横轴的转动约束R2和纵轴向位移约束U2(见图6)。

4 计算结果分析

本文建立了端头井处施工工况及使用工况的三维模型，端头井1—1，2—2处横框架平面模型(平面位置如图2所示)，端头井处纵框架平面模型。通过对比三维与二维模型输出的内力得到以下结论：

1)对于板与墙，对比施工阶段工况与使用阶段工况下的内力云图，在使用阶段的内力起控制作用。在施工阶段，由于有降水要求，侧壁与底板少了水压力的影响，导致结构内力大幅减少。结构底板的板柱节点位置，使用工况下的M11方向弯矩比施工工况下的M11方向弯矩大39.7%。底板与侧墙相交处使用工况的内力达到施工工况下内力的7倍(如图7，图8所示)。

2)车站端头井的侧墙，采用空间三维模型分析，墙体所受弯矩的分布规律同平面二维模型计算结果比较一致，三维模型墙体弯矩绝对值最大值为668 kN·m，二维模型弯矩绝对值最大值为1 104 kN·m，相差39.5%(如图9，图10所示)。

3)从三维框架所受的内力可以得知，水平框架梁不仅承受弯矩和剪力，还承受比较大的轴力和扭矩。如第二层框架梁，其轴力可以达到1 905 kN，扭矩为572 kN·m。而平面二维纵框架模型是基于平面二维横框架模型的内力结果按导荷方式进行输入计算的，只能输出弯矩和剪力值，与实际受力情况大有不同。与二维框架内力相比，三维框架输出的内力要远小于二维。这表明相对于平面二维模型而言，三维模型更符合结构的实际受力状态。在设计时，需要结合三维模型来进行受力分析(如图11，图12所示)。

4)从三维模型的内力输出云图可以看出，风亭开口处、板柱节点处和板墙交线处有应力集中现象。而二维平面简化模型未考虑大洞口且忽略了构件整体协调变形等条件。应根据三维模型在应力集中区域加强配筋(如图9所示)。

5 结语

端头井的计算分析结果表明，对于这种复杂空间结构，二维平面模型与结构实际受力状态出入较大。为了保证结构安全可靠，并优化结构设计，对于这类有楼板和端墙大开洞以及结构与风道和出入口连接处等应力分布较复杂的部位，需建立局部区域整体模型进行分析。

[1] 陶 勇，郑俊杰，楼晓明.地铁端头井的设计计算方法探讨[J].华中科技大学学报(城市科学版)，2005(1)：31-32.

[2] 丁春林.地铁车站端头井受力计算模型研究[J].同济大学学报(自然科学版)，2007,35(5)：92-93.

[3] 北京金土木软件技术有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].第2版.北京：人民交通出版社，2001.

[4] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[5] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

Design of subway station at the end well

Lu Yuting

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150000,China)

The three-dimensional model of the work well is built by using the finite element analysis software SAP2000 for a station to be constructed in the second phase of the rail transit line of Harbin. The types of the load and the load combinations of the calculation for the main structure of the metro station are briefly introduced. The issues that need attention are analyzed in order to simulate the stress state of the main structure of the metro station work well more accurately under different working conditions. By comparing the results of the two-dimensional and the three-dimensional model of the internal forces, the proposals is put forward more reasonably for the design.

metro, work well, design, finite element

2015-01-28

芦宇亭(1990- )，女，在读硕士

1009-6825(2015)10-0034-03

TU318

A