某十字换乘车站空间受力分析

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摘 要：本文对某地铁车站“十”字换乘节点处利用有限元程序进行空间受力分析，着重介绍了模型建立，模型边界选取等问题。计算实例表明：对于车站换乘节点这样空间体系复杂结构，采用空间三维模型能够较真实的模拟其受力状态趋势。并根据计算结果，为设计确保结构薄弱环节安全，提供设计依据。

关键词：地铁车站;换乘节点;有限元;结构内力

Abstract: this paper using finite element program analysis on spatial stress of a cross transfer metro station，introduce the model establishment, boundary selection, etc. Calculating examples show that, for such complex spatial structure, the station of interchange connections, adopts three-dimensional model can simulation of the actually state well. According to the calculated results, can provide the theory basis for the design in weak part to ensure the structure safety.

Key words: subway station； interchange connections； finite element ； structural internal force

中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

工程概况

该车站位于某市中心主干道“十”字路口下。1号线车站与远期实施的4号线车站成“十”字换乘（见图1）。由于该站位处于市中心繁华商业地带，来往客流人大，故在车站设计时在换乘节点地下一层设置一直径约60m的圆形换乘大厅。

1、4号线车站均为双柱三跨形式的现浇混凝土框架结构，地下墙与侧墙叠合墙体系。1号线车站基坑开挖深度约16.1m，顶板覆土约3m。换乘节点处4号线车站基坑开挖深度约23.5m。

图1：站位总平面图

计算模型

2.1 模型设计范围

采用MIDAS/Gens7.3版软件计算，软件整体结构计算时，采用梁单元模拟梁、柱、桩；板单元模拟叠合墙、地连墙、楼板。梁、板单元的截面特性及材料按结构实际取值，节点位置取结构中心点。单元按1m一个单元建模。为了减少计算和分析的时间，在不影响结果精度的前提下，本次计算选取圆形换乘大厅范围内与其左右两端各两跨柱距的车站标准段共计90米长度为设计范围。主要模型如下图:

图2：换乘节点处空间结构模型

2.2模型边界条件选取

1号线两侧标准段连接范围处各层板施加沿车站纵向约束。

弹性抗力按winkler理论[1-3]确定，其公式为：

式中：弹性抗力系数K由土工试验得到。土

体对底板作用采用只受压弹簧模拟，弹簧刚度根据地质报告给出的垂直地基系数计算，即：弹簧刚度k=地基系数×土体面积；在模拟基底以下的地连墙或抗拔桩对换乘节点模型的约束效果时针对不同各土层实际分布情况以及基底土体加固情况，分层模拟土体对抗拔（地连墙）的水平和竖直方向上的约束作用。即土体对抗拔桩(地连墙)水平方向作用采用拉压弹簧模拟，即：弹簧刚度k=地基系数×桩（地连墙）周土体面积；土体对抗拔桩（地连墙）竖直方向作用采用拉压弹簧模拟，即：弹簧刚度k=地基系数×桩（地连墙）周土体面积；

2. 3计算荷载取值

恒荷载：顶板覆土（按3m覆土计）、结构自重、水浮力、侧向水土压力等。

活荷载：地面超载（按20KN/M2）、人群荷载(站厅层按4KN/M2，设备区按8KN/M2计)、列车荷载（按等效静荷载计算）。

计算结果展示与结果分析

通过上述计算步骤，得到换乘节点处各层板的变形与内力结果（见图3-图10）

（1）从各层板的竖向变形来看，顶板扇形区域因建筑空间要求柱间距较大（柱距11.5m）该区域顶板竖向位移较大（4.03mm）。下二层板轨行区范围内变形受列车荷载控制，竖向位移较大（6.53mm）。

图3：顶板竖向位移图

图4：下二层板竖向位移图

（2）沿1号线方向由于顶纵梁作用，顶板受力方向清晰，跨中最大弯矩（Myy方向）+460KN*M/M。支座处最大弯矩（Myy方向）-500KN*M/M。4个扇形区域的顶板由于纵横梁相交和侧墙的影响，使该区域的顶板弯矩在Mxx、Myy两个方向上均有反映且大小相近。顶板（4号线端墙处）与侧墙相交处支座处弯矩较大。

图5：顶板 Mxx 图

图6：顶板 Myy图

图7：下一层板Myy图

图8：下二层板Myy图

（4）底板因底梁沿4号线方向布置，故底板的主要受力方向变化为Mxx方向，车站底板内力受水浮力工况控制，其跨中最大弯矩+1344KN*M/M，支座处最大弯矩-2978KN*M/M。4号线两侧端墙处，由于受到侧墙刚度影响，支座处底板弯矩明显增加（最大弯矩Myy=-2765 KN*M/M）。

图9：底层板 Mxx 图

图10：底层板 Myy 图

位移图弯矩包络图

轴力包络图 剪力包络图

图11：平面二维模型内力图

表2：不同计算模型各纵梁计算结果比较

结论

在通过对上述计算分析表明：

（1）建立空间模型来分析该节点结构，可较真实反映地下结构和土体的相互作用，计算结果能较好反应结构真实受力状态。

（2）通过空间三维模型与平面二维模型分析对比可以发现，两者的顶、底板内力计算结果相差较大，原因在于平面二维模型中未能考虑板与纵梁对整个结构的变形协调作用，从而导致计算数据失真。其次平面二维模型中纵框架梁只能计算弯矩与剪力，未能考虑梁所受到的扭矩，该问题在梁柱节点复杂的圆形换乘大厅与下二层板轨行区的框架梁上表现尤为明显，故在设计中应加强重点区域框架梁抗扭钢筋的配置。

（3）通过对计算模型中各板的弯矩结果分析，发现4号线端头墙位置处换乘节点各板纵向弯矩较大，故需设计中对该处给予充分重视，以满足结构耐久性和安全性要求。

参考文献

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[3]丁春林.含结构节点的地铁车站空间受力分析[J].地下空间，2003，23(3)