基于不同覆土厚度的地鐵車站無梁結構體系受力性能研究

李玉潔

（中鐵上海設計院集團有限公司,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，采用無梁結構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，使管線的鋪設更加靈活[1]。同時，無梁結構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構體系的受力性能研究具有十分重要的意義。

該文以蘇州某標準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，提出了無梁結構體系的相關設計要點。

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，車站主體結構外包總長198.2 m，標準段寬19.7 m。車站中柱尺寸0.8 m×1.1 m，柱距9 m，圍護結構采用800 mm 厚地下連續(xù)墻，車站標準段斷面圖如圖1 所示。

圖1 車站標準段斷面圖

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，對車站主體結構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、底板及側墻均采用板單元進行模擬，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、板單元網格劃分長度為0.5 m（研究區(qū)域細化后為0.2 m），滿足數值模擬精度和工程需求。

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

該車站圍護結構采用地連墻，與內部結構側墻組成復合墻結構形式，在永久使用階段圍護結構承受外側土壓力作用，內部結構側墻僅承受水壓力。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墻水土壓力作用均根據相應覆土厚度確定。

2 主要計算結果分析

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原點（0,0）建立坐標系(上邊緣為墻邊，下邊緣為柱邊)，得到x軸與y軸方向的內力分布。

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果中取x=1、x=5、x=8 的同區(qū)域板帶，提取相應計算分析數值后，分別繪制Myy內力（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，正負彎矩板帶寬度如表3 所示。

表2 不同覆土厚度下內力最值

表3 不同覆土厚度下正負彎矩板帶寬度

根據各模型彎矩云圖、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內力變化規(guī)律一致，基本呈線性增長趨勢，且最大正負彎矩位置與常規(guī)地鐵車站梁柱結構體系一致，同時得出以下規(guī)律：

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

②y=7~9 時，即柱支座影響范圍內，Myy均大于梁柱體系下彎矩值，該范圍需根據實際彎矩值進行針對性設計。

（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，線性關系近似為Vmax=600H+2100（H為覆土厚度/m）。經驗算，當覆土厚度為大于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，應考慮增加板厚、增設柱帽等方式。

（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的各支座范圍內板帶寬度的影響不大。在覆土厚為1.5~4 m 時，墻邊上側受拉板帶寬度可取1.4 m，跨中下側受拉板帶寬度可取5.5 m，柱范圍內上側受拉板帶寬度可取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《地鐵設計規(guī)范》[4]規(guī)定車站結構構件裂縫限值為0.3 mm，分布鋼筋的配筋率不宜低于0.2%。通過計算，根據Mxx方向的彎矩，可定義當柱范圍頂板（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彎矩，框柱一定范圍內Mxx增加幅度明顯大于Myy，綜合支座效應和彎矩增加幅度，導致Ry數值基本無變化，均為2.6 m。

根據以上數據及分析可以得出，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）。通過對計算結果的提取，得出不同覆土厚度下的Dx和Dy的最大包絡值，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 進行有限元分析，得出以下幾個主要結論：

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

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

（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，均需設置柱帽來滿足頂板抗沖切要求。

（4）通過對柱帽尺寸的包絡設計，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柱帽的范圍，并對柱帽合理設計，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，進行不同覆土情況下的受力分析，得出了一般性結論，后續(xù)研究和工程應用中應考慮對柱跨、板厚等情況進行進一步分析，以確定更為合理的地鐵車站無梁結構設計方案。