劉 晨 李 標(biāo)

地鐵作為城市軌道交通的重要組成內(nèi)容，具有乘客密集、環(huán)境封閉、線路位于地表以下的特征，為保障乘客的出行安全，必須做好地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合實(shí)際情況，傳統(tǒng)地鐵車站設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)自重、水土壓力以及地鐵超載等靜載荷為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，但此設(shè)計(jì)方式中忽略了地震因素對車站結(jié)構(gòu)的影響，以此為施工依據(jù)可能會存在安全隱患。

因此，本文在地鐵車站設(shè)計(jì)分析中引入了結(jié)構(gòu)抗震環(huán)節(jié)，并且通過有限元仿真分析方法確認(rèn)不同地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)部分需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，保障設(shè)計(jì)的合理性，降低了地鐵車站的安全風(fēng)險(xiǎn)[1]。

1 工程概況

某地鐵車站全長為273 m，地下2層采用狹長箱型結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度為20 m。車站采用淺埋暗挖法施工，施工區(qū)域內(nèi)部設(shè)置盾構(gòu)井，主體結(jié)構(gòu)中標(biāo)準(zhǔn)段頂板、底板、中板厚度分別為800 mm、900 mm、400 mm，均采用C35 混凝土；端頭井頂板、底板、中板以及側(cè)墻的厚度分別為800 mm、1 000 mm、400 mm、600 mm，均采用C35 混凝土；地下連續(xù)墻厚度為800 mm，采用C35 混凝土；單柱尺寸為700 mm×1 200 mm、雙柱尺寸為600 mm×1 100 mm，均采用C40 混凝土。工程地質(zhì)區(qū)域?qū)儆诘谒募o(jì)沖洪積平原區(qū)，區(qū)域內(nèi)土層主要由人工填土層、第四紀(jì)沉積粉質(zhì)土、黏性土、砂土以及碎石土組成，地下水位在地面以下20 m。

2 地鐵車站結(jié)構(gòu)仿真模型構(gòu)建

根據(jù)某地鐵車站的實(shí)際情況，確定采用SAP2000 有限元分析軟件進(jìn)行模型構(gòu)建，模型網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為0.5 m。模型中結(jié)構(gòu)部分采用框架單元進(jìn)行仿真模擬，底板土壓力采用只受壓彈簧模擬。

將某地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面具體參數(shù)輸入至模型后，運(yùn)行模型進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

3 地鐵車站結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面分析

對某地鐵車站結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位彎矩和剪力包絡(luò)圖數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后，確認(rèn)某地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段彎矩及剪力如表1 和表2所示。

表1 某地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面頂板、中板、底板彎矩及剪力統(tǒng)計(jì)表

表2 某地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面?zhèn)葔澗丶凹袅y(tǒng)計(jì)表

3.2 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

將以上的參數(shù)及某地鐵車站實(shí)際數(shù)據(jù)輸入有限元仿真軟件中，為模型配置基本參數(shù)值后實(shí)施結(jié)構(gòu)變形以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力仿真分析。據(jù)仿真分析結(jié)果可知，某地鐵車站單柱雙跨段結(jié)構(gòu)最大彎矩為948.512 6 kN·m，位于單柱雙跨段底板箱型結(jié)構(gòu)角點(diǎn)區(qū)域；最大剪力698.642 1 kN，位于單柱雙跨段底板箱型結(jié)構(gòu)角點(diǎn)區(qū)域。雙柱3 跨結(jié)構(gòu)仿真分析過程與單柱雙跨段結(jié)構(gòu)仿真分析過程基本一致。通過仿真分析可知，雙柱3 跨段結(jié)構(gòu)的最大彎矩為591.246 kN·m，位于雙柱3 跨段底板箱型結(jié)構(gòu)角點(diǎn)區(qū)域和側(cè)向底板區(qū)域；最大剪力為445.621 6 kN，位于雙柱3 跨段底板箱型結(jié)構(gòu)角點(diǎn)區(qū)域。

3.3 地震工況分析

在靜力學(xué)仿真分析的基礎(chǔ)上引入地震作用，獲取地震工況下某地鐵車站結(jié)構(gòu)的性能數(shù)據(jù)。通過仿真分析結(jié)果可知，某地鐵車站單柱雙跨段結(jié)構(gòu)的最大彎矩為958.661 3 kN·m，位于單柱雙跨段底板箱型結(jié)構(gòu)角點(diǎn)區(qū)域和側(cè)向底板區(qū)域；最大剪力為731.715 5 kN，位于單柱雙跨段側(cè)墻底板區(qū)域。

雙柱3 跨段結(jié)構(gòu)的最大彎矩為978.565 1 kN·m，位于雙柱3 跨段底板箱型結(jié)構(gòu)角點(diǎn)區(qū)域和側(cè)向底板區(qū)域；最大剪力為745.217 kN，位于雙柱3 跨段側(cè)墻底板區(qū)域。

4 地鐵車站結(jié)構(gòu)性能影響因素及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)優(yōu)化方向

4.1 單柱雙跨段

對某地鐵車站靜力學(xué)分析和地震工況分析的結(jié)果進(jìn)行歸納，從而形成表3和表4 中的仿真分析結(jié)果。

表3 靜力學(xué)分析與地震工況分析下彎矩對比（單位：kN·m）

表4 靜力學(xué)分析與地震工況分析下剪力對比（單位：kN）

由表3 和表4 可知，對于地鐵車站結(jié)構(gòu)的頂板，靜力學(xué)分析和地震工況分析中頂板柱頂、跨中及角點(diǎn)等區(qū)域彎矩值為400 ～900 kN·m 和100 ～350 kN·m；靜力學(xué)和地震工況分析中柱頂和角點(diǎn)區(qū)域的剪力400 ～600 kN 和50 ～300 kN。為保障地鐵車站頂板的綜合安全系數(shù)，頂板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)取較大值，即頂板彎矩及剪力計(jì)算應(yīng)按照靜力學(xué)分析過程進(jìn)行計(jì)算和控制[2]。

對于地鐵車站結(jié)構(gòu)的中板，靜力學(xué)分析和地震工況分析中，其柱頂、跨中以及角點(diǎn)等區(qū)域的彎矩值均分別處于80 ～100 kN·m 和20 ～50 kN·m；靜力學(xué)分析和地震工況分析中板中柱頂和角點(diǎn)區(qū)域的剪應(yīng)力分別處于80 ～90 kN和10 ～30 kN。為保障地鐵車站中板的綜合安全系數(shù)，中板彎矩及剪力計(jì)算應(yīng)按照靜力學(xué)分析過程進(jìn)行計(jì)算和控制。

對于地鐵車站結(jié)構(gòu)的底板，靜力學(xué)分析和地震工況分析中，底板柱頂和跨中以及角點(diǎn)等區(qū)域彎的矩值分別處于600 ～950 kN·m 和580 kN·m、50 ～90 kN·m 和958 kN·m；靜力學(xué)分析和地震工況分析中底板柱頂和角點(diǎn)區(qū)域的剪應(yīng)力分別處于650 ～700 kN 和50 ～450 kN。為保障地鐵車站底板的綜合安全系數(shù)，底板彎矩及剪力計(jì)算應(yīng)按照靜力學(xué)分析過程進(jìn)行計(jì)算和控制。

對于地鐵車站結(jié)構(gòu)的側(cè)墻，靜力學(xué)分析和地震工況分析中，側(cè)墻頂點(diǎn)及跨中、底角點(diǎn)彎矩分別處于150 ～450 kN·m和760 kN·m、30 ～190 kN·m 和957 kN·m；靜力學(xué)分析和地震工況分析中側(cè)墻頂板、中板及底板處的剪應(yīng)力分 別 為190 kN 和250 kN、490 kN 和130 kN、480 kN 和730 kN。為保障某地鐵車站側(cè)墻的安全系數(shù)，綜合分析后確認(rèn)側(cè)墻頂角點(diǎn)及跨中彎矩應(yīng)采用靜力學(xué)分析，底角點(diǎn)彎矩應(yīng)采用地震工況分析；中板處剪應(yīng)力應(yīng)采用靜力學(xué)分析，頂板和底板處剪力應(yīng)采用地震工況分析[3]。

4.2 雙柱3 跨段

對某地鐵車站靜力學(xué)分析和地震工況分析的結(jié)果進(jìn)行歸納，形成表5 和表6中的仿真分析結(jié)果。

表5 靜力學(xué)分析與地震工況分析下彎矩對比（單位：kN·m）

表6 靜力學(xué)分析與地震工況分析下剪力對比（單位：kN）

對于地鐵車站結(jié)構(gòu)的頂板，相較于靜力學(xué)分析，地震工況分析下角點(diǎn)和邊跨跨中彎矩更大，而柱頂及中跨跨中彎矩較小；同時(shí)，相較于靜力學(xué)分析，地震工況分析下頂板柱頂及角點(diǎn)剪力較小。為保障地鐵車站頂板的綜合安全系數(shù)，頂板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)取較大值。因此，地鐵車站結(jié)構(gòu)頂板柱頂、中跨跨中處彎矩計(jì)算應(yīng)優(yōu)先選擇靜力學(xué)控制；角點(diǎn)、邊跨跨中彎矩應(yīng)優(yōu)先選用地震工況控制；頂板剪力計(jì)算應(yīng)優(yōu)先采用靜力學(xué)控制。

對于地鐵車站結(jié)構(gòu)的中板，相較于靜力學(xué)分析，地震工況分析下柱頂及中跨跨中、邊跨跨中及角點(diǎn)彎矩均較??；同時(shí)，相較于靜力學(xué)分析，地震工況分析下中板柱頂及角點(diǎn)剪力相對較小。因此，地鐵車站結(jié)構(gòu)中板彎矩及剪力計(jì)算均應(yīng)優(yōu)先采用靜力學(xué)控制[4]。

對于地鐵車站結(jié)構(gòu)的底板，相較于靜力學(xué)分析，地震工況分析下柱頂及中跨跨中彎矩相對較小，而邊跨跨中及角點(diǎn)彎矩相對較大；相較于靜力學(xué)分析，地震工況分析下柱頂和角點(diǎn)處剪力均相對較大。因此，地鐵車站結(jié)構(gòu)底板柱頂及中跨跨中彎矩計(jì)算應(yīng)優(yōu)先選用靜力學(xué)控制，而跨中及角點(diǎn)彎矩計(jì)算應(yīng)優(yōu)先選用地震工況控制；底板剪力應(yīng)優(yōu)先選用地震工況控制[5]。對于地鐵車站結(jié)構(gòu)的側(cè)墻，相較于靜力學(xué)分析，地震工況分析下頂板處及地下1 層跨中和底板處彎矩相對較大，而中板處及地下2 層跨中彎矩相對較小；同時(shí)，相較于靜力學(xué)分析，地震工況分析下側(cè)墻頂板處和底板處剪力相對較大，而中板處剪力相對較小。因此，地鐵車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻彎矩計(jì)算中頂板處及地下1 層跨中和底板處彎矩計(jì)算應(yīng)優(yōu)先選用地震工況控制，中板處及地下2層跨中彎矩計(jì)算應(yīng)優(yōu)先選用靜力學(xué)控制；側(cè)墻剪力計(jì)算中頂板處和底板處剪力計(jì)算應(yīng)優(yōu)先選用地震工況控制，中板處剪力計(jì)算應(yīng)優(yōu)先選用靜力學(xué)控制[6]。

5 結(jié)語

本文以某地鐵車站為研究對象，結(jié)合地鐵車站的實(shí)際數(shù)據(jù)，通過仿真分析方法獲取某地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)優(yōu)化方向及控制要點(diǎn)。根據(jù)文中分析結(jié)果可知，某地鐵車站單柱雙跨結(jié)構(gòu)斷面區(qū)域內(nèi)的底板角點(diǎn)和側(cè)墻底板角點(diǎn)及跨中抗彎性能、側(cè)墻頂、底角點(diǎn)抗剪性能均需要根據(jù)地震工況控制進(jìn)行相應(yīng)加強(qiáng)；雙柱3 跨結(jié)構(gòu)斷面中頂板、中板以及底板角點(diǎn)和跨中抗彎性能、地下1 層側(cè)墻跨中和地下2 層側(cè)墻底角點(diǎn)抗彎性能、側(cè)墻頂角點(diǎn)和底角點(diǎn)抗剪性能均需要根據(jù)地震工況控制實(shí)施相應(yīng)加強(qiáng)。