地铁车站与高架桥整体分析

摘要以武汉市一座地铁车站及高架桥共建体为研究对象，借助于SAP2000 软件建立该车站与高架桥的分析模型，对该结构进行整体有限元计算，将所得计算结果作为评定该工程共建方案可行性的主要依据。

关键词地铁车站高架桥模态参数非线形时程分析

1 引言

通过有限元计算软件进行复杂结构的模拟计算，是近几十年来建筑结构设计的一个主要发展趋势，成为解决现代复杂结构设计的重要手段。随着全国各大城市对地铁建设的加速发展，地铁建筑与城市市政及周边建筑等一些相关设施之间也将遇到越来越多的复杂问题，比如与其相邻的高层建筑、公共建筑、市政地下管网等的保护工作。对于上述所遇到的复杂情况，用一般常规计算方法已经不能满足实际工程设计的需要了。武汉市某一地铁车站由于场地有限，必须与其上的二环线高架桥共建成为一体。为了科学合理地对车站结构与高架桥的共建方案进行有效的分析研究，本文主要采用了 SAP2000 有限元软件进行本工程结构的分析计算，通过计算结果得出相应的结论，为今后类似工程的设计提供一定的参考。

2 工程概况

该地下建筑位于武汉市中心，地铁 10 号线与 6号线交汇处，两线站台呈 T 形布局，10 号线与 6 号线互为岛岛换乘，车站总建筑面积为 26 598 m2。本站 10 号线为21 m 宽岛式站台，地下两层结构，基坑深度约 17． 84 m，基底土层主要为粉砂夹粉土、粉质黏土，局部为粉细砂层; 6 号线为 14 m 宽岛式站台，地下三层结构，基坑深度约 25． 7 m，基底主要土层为粉细砂层。该车站场地属长江Ⅰ级阶地，地下水位较高，基坑周边不宜采用放坡开挖及土钉墙支护，应选用有隔水效果的墙体系围护结构，结合周边环境和当地经验，经比选: 10 号线选用 800 mm 厚地下连续墙作围护结构，地下连续墙不入岩; 6 号线选用1 000 mm 厚地下连续墙作围护结构，地下连续墙入岩。地铁车站与二环线高架桥平面布置如图 1所示。

本地铁车站结构的主要特点: 10 号线地下二层站方向有 5 个高架桥桥墩落入地铁车站主体结构内，形成共同受力体系。落入车站主体结构内的高架桥为多跨连续钢箱梁结构，最大跨度达 55 m，桥桩直径分为 1． 2 m 与 1． 5 m 两种。

3 整体结构有限元分析模型及参数

主要以 SAP2000 程序为分析工具，建立整体结构分析模型，对结构的边界条件及受力特点作了相应的简化处理。由于高架桥在车站开挖阶段的受力分析已由桥梁设计单位验算，并做了相应的处理措施，本文仅针对车站建成后使用阶段的受力情况进行分析，整体结构计算模型如图 2所示。

3． 1 计算参数

车站范围各土层及参数见表 1。

该地下结构所承受的荷载包括永久荷载、可变荷载和偶然荷载，结构所承受的永久荷载包括: 结构自重、吊顶自重、装修面层自重、顶板覆土荷载、上部桥梁传来的恒荷载、侧土压力、水压力; 可变荷载包括地面汽车活载、人群荷载、设备荷载、列车荷载及上部桥梁传来的活荷载等。根据中国地震动参数分布图可知武汉地区属 6 度区，而本工程为乙类建筑，

Ⅱ 类场地，根据《建筑抗震设计规范》( GB 50011 －2010) 中的要求应按 7 度进行设防。

3． 2 边界条件

计算时分别用布置于节点上的水平弹簧、竖向弹簧来模拟土体对墙体( 底板) 水平位移和垂直位移的约束作用，弹簧只能受压，且注意弹簧的计算反力不应大于地基的承载力。由于二环线桥桩持力层为中风化岩层，桩端沉降量在车站主体结构施工时已可忽略不计，简化采用桩端固接。

3． 3 单元模拟

本模型单元类型的选择见表 2。

4 整体结构有限元计算结果及分析

本文运用 SAP2000 有限元分析软件对本工程的模型进行了分析计算，得到了结构在弹性状态下的自振频率，以及在使用阶段恒载与活载各工况、6 度地震时程加速度曲线工况下的最大内力及变形，并对其结果作了相应分析( 尽管《建筑抗震设计规范》中 6 度区可不作地震作用分析，但考虑到本车站与高架桥共建，受力情况复杂。为了充分了解 6 度地震下的结构受力情况，还是做了非线形时程分析) 。根据《建筑抗震设计规范》( GB 50011 － 2010) 中 5． 1． 2 条的要求，采用二组实际强震记录和一组人工波，考虑到SAP2000 中在做非线形有限元分析时，反应谱法是不合适的，本文只做地震波的时程分析计算。三组地震波曲线如图 3 所示。

4． 1 整体结构模态参数

结构的整体模态参数具体可见表 3。

根据地质勘察报告可知本工程场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，由《建筑抗震设计规范》表 5．1． 4 － 2 查得场地的特征周期值为0．35 s，从表3 可以看出本工程结构前五阶振型的周期均远大于 0． 35 s，避免了地震时共振现象的发生。

4． 2 整体结构计算桥桩内力分析

本工程由于整体受力复杂，落入车站主体结构内的桥墩数共有 5 个，其中跨度最大的桥墩( 跨度达55 m) 为 D04 和 D05墩位，墩位下为 4 根1． 5 m 直径钻孔灌注桩组成的基础系统。对比内力计算结果，D05 墩位下的桥桩受力最为不利，故本文选取 D05 墩位下的桥桩为研究对象，计算简图如图4 所示，计算结果及分析见表 4 ～表 7。

从表 4、表 5 中的数据内容，可以很明显地看出，有地震作用参与的工况与恒 + 活载设计值工况相比，在轴力、剪力、弯矩值各方面均要小于恒 + 活载设计值工况的结果。而且地下一层构件( 311、316 构件) 与地下二层构件( 310、315 构件) 相比，弯矩和剪力值减少的幅值更大，轴力值的增减基本相当。从另一方面比较，二组实际地震波与一组人工波的计算值都比较接近，差异值较小。从以上分析可以看到，6 度区地震作用效果是不明显的，这与《建筑抗震设计规范》中 6 度区可不进行地震作用计算的要求相吻合。

4． 3 整体结构计算桥桩的位移分析

由于本工程桥桩落入车站主体结构，桥桩位移的大小是设计所关心的重要指标，通过有限元计算，得到桥桩与车站主体结构相交处关键点的位移值，见表8。

从表 8 中，可以看到水平位移 UX 方向在二层底板处达到最大值－1 mm，水平位移 UY 在中板交点处最大值－0． 8 mm，而竖向位移 UZ 在车站顶板处最大值－6． 3 mm。从地震作用时程分析结果( 由于数据太多，仅列出22256 号点 ELCENTROL 波的位移时程图) 可以看出，其各方向位移最大值均小于恒 + 活设计值工况下的相应值，且振幅也较小( 0． 55 mm 以下) ，同时从数据统计中显示，在中板处的水平位移较大，这是因为中板相对顶板和底板来说，厚度较小，刚度也较小的缘故，使其对桥桩的约束较弱。从变形的角度也可以得出同样结论: 本车站在 6 度地震作用参与的工况下变形很小，可以不作为控制性工况考虑。

5 结论

通过对本工程整体结构进行有限元建模计算，着重分析了落入本工程车站主体结构内的桥桩内力及位移的计算结果，并对主要工况的结果数据进行了对比分析，得到以下几点结论。

( 1) 通过数据统计对比分析，可知本工程落入主体结构内的桥桩受力及位移结果均在可控范围内，共建方案是可行的。

( 2) 由于本工程结构受力形式复杂，虽然武汉属于 6 度区，仍选用了三组地震时程曲线对结构进行了非线形分析，所得结果与静力条件下的恒 + 活载设计值工况相比，在内力和位移结果上均较小，这与《建筑抗震设计规范》中 6 度区可不进行地震作用计算的要求相吻合，可为今后类似工程设计作一定的参考。

( 3) 从计算结果的图表中，我们可以看到，落入车站主体结构的桥桩构件，在轴力上有较大的增加，压力达到了 12 099． 6 kN，弯矩和剪力值也都有相应提高，使得在此范围内的桥桩受力相对复杂，应该引起设计人员的重视，同时对桥桩与车站主体结构的连接处也应作更细致的构造处理，以达到合理传递内力，真正保证共建方案安全实施。

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