明挖地铁车站结构计算探讨

明挖地铁车站结构计算探讨
摘要：地铁明挖车站一般属于浅埋地下工程的范畴，大部分属于直立式边墙的箱型钢筋混凝土结构，在明挖车站的结构设计中，最为重要的一个环节为结构计算，计算模型的正确合理性，决定了结构安全和经济性。

本文对其进行阐述。

关键词：明挖地铁车站结构计算
前言：
目前我国地铁设计中常用的这种平面计算模型在一般的条件下可以得出车站结构受力的近似解，但由于这种简化方法与车站结构的实际受力状况还是存在着较大的区别，并不能完全地反映结构的实际内力分布情况。

因此在进行结构设计时一，常常被要求根据各层板与纵梁的刚度比，确定跨中板带与柱上板带的内力分配系数，进行板的配筋设计。

而只有根据实际情况，正确地建立三维空间模型计算，才能很明确地得出车站结构不同部位的内力分布情况，并以此为依据，结合平面计算模型确定出跨中板带与柱上板带的内力分配系数，从而指导板的配筋设计。

结合地铁某站的实际情况，分别对其进行平面简化模型计算与空间三维模型计算，对其计算结果进行比较分析，找出其间的关联，期望得出对地铁车站结构设计有参考价值的结论。

在地铁明挖车站设计中，基坑围护结构的整体稳定性计算是极其重要的，特别是在基坑周边地而上有建筑物或构筑物时，围护结构的整体稳定性是能否保证安全施工和是否影响周边环境的重要环节。

从大量明挖基坑的设计施工实践中，在用规范或规程的公式计算整体稳定性安全系数时，我们发现虽然大多数深基坑工程的整体稳定性是安全的，但安全系数的计算值却小于设计允许值，这表明计算公式和实际情况存在一定差距，对此，本文以上情况进行分析。

一、工程背景
1、地层状况
在现有勘探深度内，地下水类型为潜水，属弱透水、弱富水层。

结构计算时一不考虑地下水，土层的加权平均容重取19. 3 kN/m3，水的重度取10 kN /m3。

地面以下土层的水平基床系数为30 MPa/m}竖直基床系数为35 MPa/m，加权平均水平侧压力系数取0.50。

2、荷载状况
1)地层土压力:覆土3. 5m，土层容重为19. 3 kN /亩，水平压力按静止土压力计算。

2)水压力:容重10 kN /m3 0
3)地面超载:按20 kPa计算。

4)设备荷载:按8 kPa计算(分区段加载)。

5)人群荷载:按4 kPa计算(分区段加载)。

6)偶然荷载:按7度地震作用，6级人防。

3、车站结构尺寸
主要构件尺寸:顶板厚800 (1 000)mm，顶梁1 000 mm x 1 800 mm，层板厚400 mm，层板纵梁800mm x 900 mm，底板厚1 000 mm，底板纵梁1 000 mm x2 000 mm，局部1 000 mm x 2 300 mm，侧墙厚600 mm车站为地下二层双跨结构，车站标准段宽度为18. 90 m。

二、计算模型
1、平面模型
地铁车站一般为长通道结构，横向尺寸远小于纵向尺寸，故可简化为平面问题求解。

用明挖顺作法修建的多跨多层矩形框架结构，可视为一次整体受力的弹性地基上的框架，以”荷载一结构”模式进行计算。

围护结构与内衬墙间由两端铰接链杆模拟，只传递压力，产生拉力时消除链杆。

地层对桩、墙的抗力由弹簧模拟。

在有限元模型中，由于柱子延纵向不是连续设置的(即不是中隔墙)。

故在建平面模型时要对其进行等效处理，有以下2种处理办法:1)按刚度等效，折算成中隔墙，再取1延米“中隔墙”进行建模。

计算结果除柱子所受轴力要反算回去外，其他部件均为每延米的受力。

2)延车站纵向取中柱的前后各半跨4 m(假设)，结构的力学参数、荷载均按纵向8 m计算，计算结果柱子即为实际受力，其他部件为每8 m的受力，需换算为每延米的受力进行配筋计算。

一般情况常用前一种形式。

主要荷载见图1
图1地铁车站荷载图
2、空间模型
车站结构的顶板、中板、底板与侧墙用板壳单元模拟，梁柱用梁单元模拟。

模型中的顶板、中板与侧墙均承受主动压力荷载，底板由只受压的曲面弹簧单元约束。

计算模型见图2
图2车站空间计算模型
3、计算结果与分析
由于底板的受力在车站结构中最大，且比较典型，具有很强的代表性，所以只提取底板的计算结果进行分析。

地铁车站设计中，应根据承载力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，并采用最不利组合进行设计。

采用标准组合进行计算。

3. 1平面计算结果
平面模型采用第一种方式，按刚度等效，将柱子折算成中隔墙。

柱间距分别为目前地铁中常见的7,8,9m。

3. 2空间计算结果
为了能更好地观察空间的计算结果，本文按柱跨为7,8,9m分别建立了3个模型，分别提取了3个模型中底板的内力结果，具体结果见图3 -5
图3柱跨为7 m时底板内力结果
图4柱跨为8m时底板内力结果
图5柱跨为9 m时底板内力结果
3. 3计算结果对比分析
如表1所示。

表1计算结果对比
从空间计算的结果得知跨中的正弯矩和侧墙处的负弯矩在不同板带处的差异很小，取较大值(柱上板带)配筋即可。

而在纵梁处的负弯矩，跨中板带和柱上板带的数值差异较大，从计算结果可以看出，随着跨距的增大，柱上板带处的弯矩都有小幅的增加，而柱间跨中板带处的弯矩则相应减小。

这说明随着跨距的增大，框架柱对板带的约束作用更加明显，使得板中的内力分布在柱上板带处集中，
而在跨中处板带的内力则相应减小。

对比平面和空间的计算结果，可以发现两者的结果有一定的差异。

不同跨度的平面模型侧墙处弯矩变化与空间模型结果相似，随着跨距的增加而增大;不同跨度的平面模型跨中处与纵梁处的弯矩与空间模型柱间跨中板带弯矩变化相似，随着跨距的增加而减小，而与空间模型中柱上板带处的弯矩变化相反。

从数值大小来看，平面模型的计算结果与空间模型的计算结果也存在一定的差异。

其中侧墙部位的差距不大，且平面模型算得的结果要稍微大一些，直接用于工程设计可以保证安全。

由于平面模型没有很好的模拟出纵梁的相关作用，使得跨中部位和纵梁处的弯矩相差较大。

从表1中的结果来看，需要对平面模型的计算结果进行相应的修正。

在本次计算中，空间模型跨中部位的弯矩在不同跨距(7,8,9 m)时比平面模型分别大了24.2% ，21% ，18%;纵梁柱下板带处的弯矩在不同跨距时比平面模型分别大了7% ，14% ，20% 。

造成这种差异存在的原因是在平面模型的建立中，人为地加入了一些假定条件。

平面简化模型算出的结果是在特定条件下的近似解，并不能客观地反映结构的真实内力分布。

最明显的就是把柱子简化为纵向的薄墙，这种简化方式不能正确地表达柱子竖向的受压刚度与纵梁的受弯刚度;其次，这种简化模型不能很好地反映结构中纵梁的作用，其抗弯刚度在与板、柱的共同受力及协调变形中的作用都是于分重要的，而在平面模型中这些都没考虑到。

这些都是导致平面模型的计算结果与空间模型有相当差异的直接或间接的因素，而空间模型的结果无疑更加接近真实情况。

三、支护方案
基坑围护结构计算简图如图6所示。

图6围护结构计算简图
基坑第一道支撑选用1000mm x 800mm钢筋混凝土撑，其它支撑选用直径Φ609mm壁厚16mm钢管做为内支撑，支撑刚度及稳定性计算均考虑中间临时立柱，各道支撑参数详见表2
表2基坑内支撑参数表
基坑开挖时应分层开挖并及时按照支撑设计标高架设支撑，超挖深度为0.5m。

开挖到坑底后由下向上施工主体结构，一边主体结构回筑，一边拆撑。

1、计算分析
基坑所处土层的各项参数如表3所示。

表3各种土层情况表
2、考虑支撑作用时的整体稳定验算
通过瑞典条分法进行整体稳定计算，如在计算中考虑支撑作用，计算简图如图7所示。

计算所得滑裂面半径R=41.052m,圆心坐标X=-3.499 m, Y=24.576 m，整体稳定安全系数KFs= 2.359。

图7整体稳定验算简图(考虑支撑作用)
3、不考虑支撑作用时的整体稳定验算
通过瑞典条分法进行整体稳定计算，如在计算中不考虑支撑作用，计算简图如图3所示。

计算所得滑裂面半径R=29.511m,圆心坐标X=-3.648m,Y=18.674m，整体稳定安全系数K=1.233
4、是否考虑支撑对整体稳定计算的结果对比
对比整理以上两种整体稳定计算结果如表4所示，分析对比表中数据可知，明挖基坑整体稳定计算中如考虑支撑作用，滑裂面圆心在水平方向变化较小，垂自方向变化较大，圆心主要沿垂自方向向上偏移，同时滑裂面半径也有明显增大，安全系数增大。

表4内支撑信息表
结语：
地铁车站是一个复杂的空间结构体系，只有采用空间计算模型进行真实的模拟计算才能得出正确的结果，在计算理论和计算机技术不断完善的今天，应对空间模型分析进一步推广，以进一步提高地铁车站的结构设计水准。

参考文献：
[1]贾艳敏，高力.结构设计原理.北京:人民交通出版社.2004
[2] 王元湘，关于深基坑支护结构计算的增量法和总量法[J]. 地下空间，2000，第20卷，第1期
[3] GB 50157-2003 地铁设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2003.。