林 蓼

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，430063，武漢∥高級工程師）

1 某地鐵出入口概況

地鐵設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)消防疏散規(guī)定設(shè)置出入口寬度。對正常的客流條件，出入口6m凈寬已經(jīng)完全能夠滿足消防疏散的要求。

近年來，地下空間開發(fā)的力度不斷加大，大型商業(yè)如超級市場、影劇院等人流大的公共建筑也積極與地鐵結(jié)構(gòu)接口，因而地鐵出入口接口寬度不斷增加。出入口加寬，對結(jié)構(gòu)受力的要求也相應(yīng)提高，如何保證出入口接口位置結(jié)構(gòu)的安全性及長期使用的適用性，成為設(shè)計時必須考慮的重要問題。

某地鐵出入口，與鄰近的高層建筑群地下室連通，而該建筑群所在小區(qū)，為10萬人口的大型商住社區(qū)，其居住及商業(yè)客流量大。根據(jù)地鐵消防疏散規(guī)定計算，出入口接口寬度取6m即可?？紤]出入口接口與社區(qū)地下商場空間尺度配合，以及社區(qū)內(nèi)商業(yè)吸引大量周邊客流的影響，將接口位置凈寬度加寬至10m。

為保證結(jié)構(gòu)正常使用并滿足規(guī)范要求，以及便于管理分割，設(shè)置了變形縫，將兩側(cè)建筑完全分離。在地鐵出入口接口位置，因出入口高度比地鐵車站站廳小，上方覆土深度超過5m，對接口位置結(jié)構(gòu)梁板受力極為不利。出入口結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

圖1 出入口結(jié)構(gòu)平面布置圖

以需要重點關(guān)注的接口梁縱向作為X方向，板平面內(nèi)與接口梁垂直方向為Y方向，豎直方向為Z方向。

2 出入口接口梁平面簡化計算

根據(jù)平面簡化計算原理，將地鐵出入口接口處大跨度梁按照兩端固結(jié)考慮，荷載可以近似按照雙向板分布理論施加，詳見圖2。

按照平面簡化計算分析，此位置的接口梁需要承受很大的扭矩作用。采用平面簡化計算得到的接口頂梁彎矩、扭矩及剪力簡圖如圖3～5所示。接口頂梁的內(nèi)力設(shè)計值如表1所示。

表1 接口頂梁內(nèi)力設(shè)計值（簡化計算）

因根據(jù)內(nèi)力計算結(jié)果，接口梁為滿足混凝土規(guī)范對截面的要求，所取截面尺度大，抗扭需要的箍筋、縱筋數(shù)量多，實施難度大，造價高。

為考慮實際受力情況，得到合理的結(jié)構(gòu)形式，采用空間計算模型對出入口接口位置進行數(shù)值計算分析，以便有效模擬實際受力及變形狀況，得到真實的構(gòu)件內(nèi)力，以用于指導設(shè)計工作。

3 空間模型計算理論

地鐵結(jié)構(gòu)中，板及側(cè)墻可采用板殼單元模擬，梁、柱等采用三維框架單元模擬。本空間模型計算采用SAP84軟件。

SAP84軟件的框架單元理論模型是Timoshenko梁與拉壓桿的組合。它允許有軸向拉壓變形、軸向扭轉(zhuǎn)變形，并具有剪切作用的彎曲變形，每個端點可以有6個自由度。板殼單元是4節(jié)點非協(xié)調(diào)單元，是平面應(yīng)力膜與板的疊加。板殼單元每個節(jié)點具有6個自由度，其中3個是膜自由度（u，v，θz），3個是板自由度（θx，θy，w），故每個板殼單元共有24個自由度。采用這種單元，可以使一個含有多種類型單元結(jié)構(gòu)中的殼和其它單元很好地連接起來，而不需要任何附加的約束條件。

地鐵結(jié)構(gòu)中的頂、中、底板及側(cè)墻厚度較大，而一般薄板理論基于Kipchhoff假定忽略了板的剪應(yīng)力τyz、τxz所引起的形變。此處使用薄板理論存在一定問題，故需采用Mindlin的中厚板理論，該理論的假定如下：①板彎曲時，中面不產(chǎn)生應(yīng)變，即中面為中性面。②忽略板厚度的微小變化，忽略應(yīng)力σz對變形影響。

4 空間模型數(shù)值分析

根據(jù)出入口接口位置的結(jié)構(gòu)形式，采用SAP846.5版程序，建立空間計算模型，得到出入口接口范圍板、墻、柱、梁構(gòu)件的受力狀況。

4.1 模型的建立

頂、底板及各側(cè)墻作為板殼單元，接口位置梁、柱作為三維框架單元，按照相接節(jié)點位移（3平動，3轉(zhuǎn)動）相同與板殼單元連接。土體對出入口結(jié)構(gòu)的水平約束以垂直于側(cè)墻的水平彈簧約束模擬，底板下土體的垂直約束以節(jié)點受壓彈簧模擬。在空間計算模式下，能有效反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的空間共同作用，可以充分考慮板、梁變形及側(cè)墻彎曲變形的影響，故接近實際結(jié)構(gòu)受力狀況。

計算模型為減少單元及縮短計算時間，模型中不建立圍護結(jié)構(gòu)的單元?？紤]圍護結(jié)構(gòu)承受一定土壓力，即按照側(cè)墻與圍護結(jié)構(gòu)剛度分配來折算作用于側(cè)墻的土的側(cè)壓力，水的側(cè)壓力全部作用于側(cè)墻。另外，為簡化模型，人防段內(nèi)集水井未予反映。

按照建筑布置的出入口形式建立空間計算模型如圖6。

圖6 空間計算模型簡圖

4.2 計算荷載

相關(guān)計算荷載有：

1）恒載——頂板覆土、結(jié)構(gòu)自重、底板水浮力、側(cè)向水土壓力等。

2）活載——地面車載、人群荷載等。

3）偶然荷載——地震荷載、人防荷載等。

4.3 材料參數(shù)

結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件均為C30鋼筋混凝土。

5 空間模型計算結(jié)果

通過有限元數(shù)值計算結(jié)果表明，人防荷載及地震荷載作用下結(jié)構(gòu)受力不是控制性工況。正常使用極限狀態(tài)的抗裂及承載能力極限狀態(tài)的強度為結(jié)構(gòu)控制性工況。在模型建立時，以右手螺旋y方向為彎矩Mxx方向，以右手螺旋x方向為彎矩Myy方向。根據(jù)這一分析，得到頂板的彎矩Mxx及Myy計算結(jié)果，如圖7、8所示。圖7、8中可以看到，接口頂梁支座附近存在較大應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖7 出入口頂板Mxx彎矩云圖

接口頂梁的彎矩Myy、扭矩Myz及剪力Vzz圖形如圖9～11所示。

6 計算結(jié)果對比分析

采用空間模型計算和采用平面模型簡化計算的結(jié)果對比如表2（僅列出出入口接口頂梁計算結(jié)果）。對比空間模型和平面簡化模型計算的內(nèi)力圖及內(nèi)力計算結(jié)果，大跨度接口梁的內(nèi)力有很大差別：

表2 接口頂梁內(nèi)力計算值對比

1）空間模型計算結(jié)果中，接口梁的彎矩更接近簡支梁。例如頂梁的跨中彎矩大，達9 435kN·m，而支座處彎矩絕對值大小僅為跨中處彎矩的1/4。

2）空間模型計算結(jié)果中，接口梁的扭矩遠小于平面簡化模型的計算結(jié)果，僅為平面簡化計算結(jié)果的1/10。

3）空間模型計算結(jié)果中，接口梁的扭矩及剪力出現(xiàn)不對稱情況，與平面簡化計算結(jié)果內(nèi)力對稱布置不同。

分析出現(xiàn)計算值差異的原因主要有以下幾個：

1）接口梁尺寸大，而墻體、板的厚度同樣較大，梁墻剛度比較接近，墻體不能視為梁的固定支座。當墻體（作為梁支座）出現(xiàn)微小的轉(zhuǎn)動變形，相應(yīng)引起梁的支座彎矩、剪力較平面簡化計算減小較多，彎矩圖接近簡支梁情況。

2）板厚較大，對接口梁的約束作用不能忽略，對梁的受扭、受剪有較大影響，引起梁扭轉(zhuǎn)及剪力較平面簡化計算減小較多。

3）在結(jié)構(gòu)體系中，出入口結(jié)構(gòu)的板墻布置為非對稱形式，相應(yīng)與接口梁連接的板墻剛度不同，導致接口梁兩端的扭矩、剪力對應(yīng)有所差異。

綜合各方面因素分析，空間模型有限元分析計算得到的結(jié)果更加接近真實受力狀態(tài)。對大跨度接口梁的實際受力情況，采用平面簡化模型將導致以下問題：

1）結(jié)構(gòu)尺寸過大，配筋量偏大，尤其是抗扭配筋偏大過多；

2）頂梁跨中位置的內(nèi)力計算值過小，而支座位置的內(nèi)力計算值偏大，錯誤采用平面簡化模型的計算結(jié)果將降低實際結(jié)構(gòu)的安全度。

7 結(jié)語

1）因為平面簡化計算方法不能正確反映大跨度接口梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)，應(yīng)采用接近實際情況的空間計算模型分析。

2）由大跨度出入口接口梁的空間計算模型分析可知，扭矩較小，不是接口梁受力的控制性因素。

3）大跨度出入口接口梁支座處彎矩小，而跨中彎矩大，接近簡支梁的受力情況。

4）建議對大跨度接口梁受力狀態(tài)進行專題研究，對跨度、覆土厚度、梁板墻構(gòu)件尺寸等對接口梁內(nèi)力的影響作進一步詳細研究，得到更加接近真實情況的內(nèi)力計算簡化公式，以指導設(shè)計工作。

［1］GB 50157—2003地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］GB 50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］李興高，張彌.地鐵車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算中的問題［J］.都市快軌交通，2005，18（5）：31.

［4］施仲衡.地下鐵道設(shè)計與施工［M］.西安：陜西科學技術(shù)出版社，1997.

［5］周小華.地鐵車站箱形結(jié)構(gòu)計算淺析［J］.鐵道建筑技術(shù)，2003（2），14.

［6］丁春林.含結(jié)構(gòu)節(jié)點的地鐵車站空間受力分析［J］.地下空間，2003，23（3），281.

［7］劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［M］.2版.北京：中國建筑工程出版社，2009.