地铁车站端头井受力计算模型研究.docx

地铁车站端头井受力计算模型研究摘要:针对上海轨道交通明珠线二期某地铁车站,提出采用空间梁-板单元模型分析车站端头井在施工过程中的受力和变形,并与传统的平面简化模型计算结果进行比较.计算结果显示:对于端头井墙体结构,两种方法计算得到的内力、变形和弯矩分布规律基本一致;对端头井上、下框架梁结构,采用空间梁-板单元模型计算,其内力变化较大,端头井空间效应显著,且可避免平面简化模型计算中框架梁出现轴向拉力这种失真现象.最后,建议采用空间梁-板单元模型分析地铁车站端头井结构.关键词:地铁车站;端头井;梁-板单元模型;平面简化模型上海市轨道交通明珠线二期某地铁车站为明挖混合式车站,车站全长373.3m,宽28.4m;标准段和两侧端头井采用地下连续墙作基坑围护结构,采用明挖顺筑法做车站主体结构(图1).其中端头井段基坑在开挖过程中共设五道支撑(图2),挖至车站底板设计标高处做车站底板,底板做好后,拆除第五道支撑;待做好车站侧墙和车站中楼板框架梁后,拆除第四道支撑;做好站厅层侧墙和车站顶板框架梁后,依次拆除第二、一、三道支撑;待安装或撤除盾构后,封闭车站中楼板和顶板,回填土,准备使用[1].在车站端头井段施工全过程中,对设计、施工来说,最为关心的是拆除全部支撑后,车站围护结构、内衬及楼板位置的上、下水平框架梁在施工过程中的受力、变形情况.既有车站端头井设计计算大多采用平面简化模型分析,上、下水平框架梁结构采用的截面大,配筋率高,车站内衬厚,配筋多.虽然施工和使用过程中安全得到了保证,但将造成材料浪费.为了准确分析车站端头井围护结构、内衬及上、下水平框架梁在施工过程中的受力、变形情况,以便对端头井内衬和上、下水平框架梁进行合理、经济的结构设计,本文提出采用空间梁-板单元模型分析计算,并与传统的平面简化模型计算结果进行比较,为地铁车站端头井结构设计计算提供新途径.1计算模型和计算理论1.1计算模型从安全性和复杂性角度看,车站端头井是车站施工最困难、设计计算最复杂的地段,地铁区间盾构隧道施工时,盾构机的安装或拆卸都是在端头井里进行,为了确保车站端头井在施工阶段和使用阶段的安全,必须对端头井地段车站主体结构内衬和车站顶层、中间层楼板位置的框架梁进行准确分析.传统的分析方法大多数采用平面简化模型分析法,只分析端头井每一侧的地下连续墙和车站内衬,将地下连续墙和车站内衬简化为重合墙,用板单元模拟,上、下框架梁用梁单元模拟,计算模型网格划分如图3a,对于图1b中的①号墙,板单元与车站底板连接处以及与每侧墙体连接处均假定为固端边界,没有考虑线位移;对于图1b中的②、③号墙体,板单元与车站底板连接处以及与①号墙连接处均假定为固端边界,另一侧假定为铰接,且在上、下框架梁位置处设置一弹簧支撑(弹簧刚度根据上、下框架梁刚度确定).显然这种计算模型不能反映整个端头井体系的受力情况,实际上端头井是一个空间三维受力体系,各侧墙体在水土压力和地面超载作用下,端头井上部墙体在转角处明显存在线位移和角位移.本次计算中,采用梁-板组合的空间三维分析模型,考虑到盾构掘进前,端头井围护结构和内衬上的预留洞门被封闭,所以模型没有考虑开洞,模型网格见图3b.计算模型中假定:①地下连续墙和车站内衬视为重合墙,不考虑墙体接头,采用各向同性弹性板单元模拟;②上、下框架梁采用各向同性弹性空间梁单元模拟;③假定梁的中性轴线与板的中性面重合,用位置相同的板、梁节点视为同一节点来反映梁板共同作用变形;④由于上、下框架梁在车站底板做好后进行施工,且车站底板在水平方向上位移很小,可略去不计,因此,建模时侧向的地下连续墙和车站内衬在车站底板处边界约束条件假定为固端.1.2计算理论简介用板单元模拟由车站围护结构和内衬组成的重合墙,首先要将重合墙划分为若干矩形单元,见图4a.利用虚功原理,可得到板单元刚度矩阵为式中:[B]为各向同性板单元应变矩阵;[D]为各向同性板单元弹性矩阵.具体可参见文献[2].用空间梁单元模拟上下框架梁,首先是将整个框架梁划分为若干梁单元,对于每一个梁单元(如图4b),在局部坐标系下,其单元刚度矩阵可参见文献[3].在求得局部坐标系下板单元和梁单元刚度矩阵后,通过坐标变换和刚度集成,可得到梁板组合结构总的刚度矩阵;再通过边界约束条件和结点荷载条件,可求得结点位移;进而求得各单元结点力和单元应力.2工程实例分析上海轨道交通明珠线二期某地铁车站西侧端头井段结构外沿尺寸为12.70m×12.65m×13.92m(长×宽×高),如图1所示.根据地质勘探和设计资料,车站顶板位于地面以下2.5m,底板位于灰色砂质粉土中,地下水位为地面以下1.1m,主体结构穿越的土层有:①层杂填土、②2层粉质粘土、②3-1层粘质粉土和②3-2层沙质粉土.各土层特性及物理力学参数参见文献[1].2.1计算参数2.1.1计