地鐵車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移的影響研究

王志杰，何晟亞，袁 曄

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

地鐵車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移的影響研究

王志杰，何晟亞，袁 曄

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

為提高地鐵車(chē)站的安全性，利用數(shù)值模擬軟件研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移的影響。通過(guò)ANSYS建立有、無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩種情況下的荷載結(jié)構(gòu)模型，并采用相同的荷載組合進(jìn)行數(shù)值模擬，得到兩種情況下的內(nèi)力和位移情況，并對(duì)兩種情況進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明:在主要考慮內(nèi)力的情況下，采用無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模較為合理;而在主要考慮位移的情況下，采用有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬比較貼近實(shí)際。無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)模型與有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相比較，其內(nèi)力偏大，但具有安全儲(chǔ)備，且側(cè)墻的位移會(huì)偏小。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)考慮的主要對(duì)象選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ汀?/p>

圍護(hù)結(jié)構(gòu) 車(chē)站主體結(jié)構(gòu) 數(shù)值模擬 內(nèi)力 位移

現(xiàn)在對(duì)于地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用的基本上都是荷載結(jié)構(gòu)模型，其中大致可以分為兩類(lèi)，一種是僅主體結(jié)構(gòu)受力而圍護(hù)結(jié)構(gòu)不受力，另一種則是主體結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)共同受力，即將圍護(hù)結(jié)構(gòu)當(dāng)作主體結(jié)構(gòu)的一部分。對(duì)于第一種情況，則是一般情況下設(shè)計(jì)院所采用的方法。這樣可以直接將所有荷載分別作用于主體結(jié)構(gòu)的頂板、中板、底板以及側(cè)墻上，即假設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不受外力作用。而第二種情況，則是將垂直荷載分別直接作用于頂板、中板和底板，但是水平荷載并沒(méi)有直接作用于側(cè)墻，而是作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，即假設(shè)側(cè)墻并非直接受到水平荷載作用，而是由圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接受到其作用。另外根據(jù)選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)的類(lèi)型，第二種情況的模型，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)利用混凝土進(jìn)行模擬。這兩種不同的荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果存在差異，而這種差異在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中加以利用，便于不同情況下選擇不同的模型進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的計(jì)算，使設(shè)計(jì)偏于安全。

1 工程背景

某地鐵車(chē)站位于全風(fēng)化巖石之上，整體結(jié)構(gòu)大多處于黏土地層中。其車(chē)站主體結(jié)構(gòu)為雙層等跨單柱形式。由于此處環(huán)境允許，并且處于軟土地帶，所以采用明挖法施工，但是該地區(qū)位于沿海區(qū)域，其地下為軟土層，需要修建圍護(hù)結(jié)構(gòu)。針對(duì)此問(wèn)題，需要進(jìn)行相關(guān)的主體結(jié)構(gòu)的計(jì)算。主體結(jié)構(gòu)中板、梁和側(cè)墻均采用C40普通混凝土，中柱采用C50混凝土;圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1000 mm的鉆孔樁加樁間止水帷幕，其混凝土等級(jí)為C30。車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的頂板埋深為3.58 m，底板埋深為16.37 m。主體結(jié)構(gòu)每跨為9.15 m，負(fù)一層高度為5.10 m，負(fù)二層高度為6.69 m。具體的土層參數(shù)，見(jiàn)表1，設(shè)計(jì)橫斷面見(jiàn)圖1。

表1 土層參數(shù)

圖1 地鐵車(chē)站設(shè)計(jì)橫斷面(單位:mm)

2 荷載組合計(jì)算

基本荷載組合與標(biāo)準(zhǔn)荷載組合是地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算中的常規(guī)荷載組合方式。而本文主要討論圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響，所以?xún)H需考慮一種荷載組合即可，故選取基本荷載組合。根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。其中基本荷載組合的計(jì)算公式為

式中:SGik為第i個(gè)永久作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);SP為預(yù)應(yīng)力作用有關(guān)代表值的效應(yīng);SQ1k為第1個(gè)可變作用(主導(dǎo)可變作用)標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);SQjk為第j個(gè)可變作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);γGi為第 i個(gè)永久作用的分項(xiàng)系數(shù);γP為預(yù)應(yīng)力作用的分項(xiàng)系數(shù);γQ1為第1個(gè)可變作用(主導(dǎo)可變作用)的分項(xiàng)系數(shù);γL1，γLj為第1個(gè)和第j個(gè)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限的荷載調(diào)整系數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)使用年限與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期相同的結(jié)構(gòu)，應(yīng)取γL=1，房屋建筑的設(shè)計(jì)使用年限為100年時(shí)應(yīng)取該系數(shù)為1.1。γQj為第j個(gè)可變作用的分項(xiàng)系數(shù);為第j個(gè)可變作用的組合值系數(shù)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算圖見(jiàn)圖2。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)荷載

為了保持單一變量，所以?xún)蓚€(gè)模型采用的荷載組合的大小均相同。但是在沒(méi)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的車(chē)站主體模型中，側(cè)向土壓力和超載引起的側(cè)向土壓力均沒(méi)有計(jì)算到圍護(hù)層底部，而是計(jì)算到主體結(jié)構(gòu)的底部。

由以上公式可以計(jì)算出無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)基本荷載組合，見(jiàn)表2。而有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)基本荷載組合，見(jiàn)表3。

表2 無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)基本荷載組合和標(biāo)準(zhǔn)荷載組合 kPa

表3 有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)基本荷載組合和標(biāo)準(zhǔn)荷載組合 kPa

3 數(shù)值模擬分析

3.1 ANSYS數(shù)值模型

本車(chē)站主體結(jié)構(gòu)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模型，均采用ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)于側(cè)墻、底板和圍護(hù)結(jié)構(gòu)均利用彈簧來(lái)代替與主體結(jié)構(gòu)接觸的土體的地基反力。為了實(shí)際工程與理論相吻合，在有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模型中，頂板的兩端加上豎向約束，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的底部加上豎向和水平約束。而對(duì)于無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模型，則是在中柱的底部施加一個(gè)水平約束，防止其發(fā)生水平方向上的側(cè)移。

3.2 結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算，得出了地鐵車(chē)站在基本荷載組合情況下有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)及無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)主要部分內(nèi)力。基本荷載組合情況下的彎矩圖、軸力圖都是正對(duì)稱(chēng)圖形，而剪力圖為反對(duì)稱(chēng)圖形，這個(gè)與理論相符。以此為前提，可以分析有無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移的對(duì)比。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ANSYS的數(shù)值模擬分析可以得到有圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)的彎矩值、剪力值和軸力值。通過(guò)內(nèi)力值數(shù)據(jù)的對(duì)比可以得到以下結(jié)論:

1)兩種模型的最大內(nèi)力值出現(xiàn)的位置都是一一對(duì)應(yīng)的，沒(méi)有因?yàn)閲o(hù)結(jié)構(gòu)而發(fā)生改變。

2)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的車(chē)站主體結(jié)構(gòu)，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)也承受了一部分的荷載，所以圍護(hù)結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了相應(yīng)的位移和內(nèi)力。

3)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的彎矩和剪力相對(duì)于同一模型下的主體結(jié)構(gòu)的彎矩和剪力小了0.96倍，在工程中可以忽略不計(jì)，但是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力最大值與主體結(jié)構(gòu)軸力的最大值相近。

4)中板、底板以及側(cè)墻的端部與中部的彎矩值比較，在有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模型中相差特別大，其相差最小為0.61倍，最大為2倍;而在無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模型中，其相差最小為0.25倍，最大為16倍。

5)在基本荷載組合下，無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型與有圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型相比較，彎矩大了89%，剪力大了131%，軸力大了112%。

6)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型的側(cè)墻位移與無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型相比，小了8.3%。

綜上所述，在兩種不同的假設(shè)情況下，采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)協(xié)同受力的模型，其內(nèi)力值偏小，同一構(gòu)件不同位置的內(nèi)力相差小，安全性偏低，無(wú)法真實(shí)地表現(xiàn)出工程中主體結(jié)構(gòu)所受到的內(nèi)力。而對(duì)于無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同受力的主體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)力值雖然偏大，但偏保守、安全性較高，具有一定的安全儲(chǔ)備。在實(shí)際工程中，由主體結(jié)構(gòu)直接承受所有荷載，是較為理想的內(nèi)力計(jì)算模型。兩者的位移相比較之下，有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)墻位移較大，這是因?yàn)榭紤]到了實(shí)際工程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)間存在防水層和縫隙，沒(méi)有完全粘合，外部荷載先作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，再作用于側(cè)墻。所以在主要考慮結(jié)構(gòu)位移的時(shí)候，可以選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)協(xié)同受力的模型;而在主要考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)力的時(shí)候，則需要選擇無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模型。

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Study on influence of metro station(foundation pit)enclosure structure on force and displacement of station structure

WANG Zhijie，HE Shengya，YUAN Ye

(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

In order to improve the safety of the metro station，the influence of enclosure structure on the internal forces and displacements of the metro station main structure was studied by using the numerical simulation software．The load-structure model for each case which has enclosure structure or has not was established by carrying out numerical simulation with the same load combination by ANSYS．The internal forces and displacements of both cases were obtained and compared．The results showed that the main structure without enclosure should be used to model by considering the internal forces primarily，the main structure with enclosure is more reasonable in case of thinking about the displacements primarily，the internal forces of the main structure model without enclosure is larger than structure with enclosure，which has safety reserve and the small displacement of sidewall． In the actual engineering design，appropriate models should be chosen according to the main object that is considered．

Enclosure structure;The main structure of the metro station;Numerical simulation;Internal forces;Displacements

U231+．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．19

1003-1995(2015)07-0065-03

2014-05-27;

2015-03-20

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964— )，男，山西萬(wàn)榮人，教授。

(責(zé)任審編 趙其文)