地铁车站端头井结构受力三维数值模拟
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摘要： 地铁地下车站一般为狭长形状，其标准段变形以横截面上的平面变形为主，因此通常采用二维平面模型进行分析，但对盾构端头井段等部位，由于其受力具有典型的空间特性，荷载-结构平面框架计算方法无论在精度或可靠度上都达不到设计要求，因此，需建立空间整体模型对其进行受力分析。本文介绍了端头井计算模型和计算中存在的问题，探讨了端头井的分析计算方法，并通过实例详细介绍了端头井空间三维计算模型的建立、荷载的组合、荷载图式、约束条件等，运用软件对模型进行了计算，对计算结果进行了分析，得出的结论对类似工程的设计有一定的参考价值。
Abstract： Metro underground stations are generally long and narrow， the deformation of the standard section is mainly the plane deformation of the cross section， therefore we usually use two-dimensional model for analysis， but for the shield section and other parts of the end well， because its stress has typical spatial characteristics， load-structural framework calculation methods can not meet the design requirements of accuracy and reliability， therefore， we need to establish space overall model to analyze its stress. This article describes the problems existing in the calculation models of end well and calculation， and discusses the computing calculation method of end well， through examples describes the establishment of spatial three-dimensional computing model of end well， load combinations， load pattern， constraints conditions etc.， uses software to calculate the model， analyzes the results， the conclusion has a certain reference value for the design of similar projects.
Key words： metro station；end well；three-dimensional model；force calculation
中图分类号：TU311.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）21-0103-04
0 引言
在地铁结构中，端头井（也称作盾构工作井）作为地铁区间隧道施工时供盾构拼装、拆卸头的空间，是典型的空间结构。端头井满足盾构施工要求（如净空要求、吊装净尺寸及掉头空间要求等），大部分情况下必须在施工过程中，在楼板预留吊装孔（如始发井），或者端头井内框架柱和框架梁必须后浇（如掉头井）[1]。
由于端头井结构长宽比接近1.0，支撑结构一般采用斜向布置，支撑长短不一，变形的大小也不尽相同，在换算成为平面结构时会有比较大的误差。而且端头井结构在开挖阶段就有比较明显的空间效应，特别是在转角处，“L”型、“T”型和“Z”型墙幅同时呈现出弯曲和扭曲的情况[1]。平面框架计算的方法无法完成端头井的特殊受力计算要求，一般采用的计算工具均为有限元软件，如SAP、ANSYS、Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2009等。
1 端头井计算存在的问题
对于空间结构，应该采用较为真实的整体模型进行分析。所采用的计算模式，应和结构实际的受力条件相吻合，并能反映结构与周围地层的相互作用。结构计算遵循“先变位、后支撑”的原则进行，计算阶段内力和变形时，计入上阶段的先期位移值及支撑变形。当结构体系和荷载均发生变化时，按分步计算进行叠加和按最终阶段的荷载总量进行计算，其结果是完全不同的。因此为正确反映各阶段的受力情况，可采用增量法进行计算，即荷载以增量的形式，加到不断变化的结构体系上，每阶段只计算本阶段结构在荷载增量作用下的内力及位移，其实际的内力状态为与以前各阶段的内力与位移的叠加值[1]。
2 端头井计算方法
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[2]。本文提出采用整体建模的方式，以梁-板组合的空间三维分析模型进行计算。
3 端头井计算实例
某地下二层岛式站台车站，车站主体基坑长439.2m，宽22.7m；端头井基坑开挖深度18.05m；采用明挖顺作法+路口局部盖挖顺作法施工主体结构。端头井尺寸见图1。根据地质勘探和设计资料，车站顶板位于地面以下3.0m，底板位于粉质粘土中，地下水位位于地面以下1.45～1.89m之间。主体结构穿越的土层有：①1杂填土、①3素填土、①4淤泥质粉质粘土、③1粘土、③2粉质粘土、④6粉土夹粉砂。
3.1 计算模型尺寸选取及计算软件 模型尺寸根据车站结构尺寸按中心线确定，对由地下连续墙围护结构和车站内衬组成的重合墙，采用板单元，板单元厚度根据地下连续墙厚度和车站内衬厚度经折减叠加确定[4][5]。计算软件选用Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2009。
3.2 材料参数 车站上下水平框架梁、地下连续墙和车站内衬均采用C35混凝土，根据混凝土结构设计规范，弹性模量E=3.15×107kPa，重度γ=25 kN·m-3，泊松比μ=0.2，梁、板刚度采用折减抗弯刚度[3]。
3.3 荷载及组合 荷载主要有：①结构自重；②顶板覆土；③吊顶及装饰层荷载；④设备荷载；⑤水浮力；⑥端头井回填素砼重；⑦轨道板、站台板重；⑧水压力；⑨顶面活载；⑩列车荷载。荷载组合考虑车站正常运营后的最不利组合，具体包括运行工况组合和浮托工况组合。运行工况组合包括：承载能力极限状态组合{1.1×（1.35×（①+②+③+④+⑤+⑥+⑦+⑧）+0.7×1.4×（⑨+⑩））}；正常使用极限状态组合（①+②+③+④+⑤+⑥+⑦+⑧+⑨+⑩）。浮托工况组合包括承载能力极限状态组合{1.1×（1.35×（①+②+③+④+⑤+⑥+⑦+⑧））}；正常使用极限状态组合：（①+②+③+④+⑤+⑥+⑦+⑧）。
3.4 结构模型和荷载图式（见图2～5）
3.5 约束条件（见图6）
底板竖向土弹簧Kv1=1.2E4kN/m3；侧墙即变高处水平土弹簧K2=1.00E4kN/m3；抗拔桩等代弹簧K3=3.36E5kN/m；地墙压顶等代弹簧K4=2.16E5kN/m2；诱导缝处约束：X向位移约束；右侧墙开孔处顶板梁及中板水平框架梁：Y+向位移约束。
3.6 计算与结果分析
3.6.1 端头井端墙
3.6.1.1 运行组合正常使用工况（计算结果见图7～8）
3.6.1.2 运行组合承载能力工况（计算结果见图9～10）
3.6.1.3 浮托组合正常使用工况（计算结果见图11～图12）
3.6.1.4 浮托组合承载能力工况（计算结果见图13～14） 底板和左、右侧墙计算方法与端墙相同，此处不再赘述。
3.6.2 内力汇总、包络（见表1） 取用各工况组合条件下的内力包络值作为结构配筋并验算裂缝开展宽度的依据。
4 结论
4.1 地铁车站盾构端头井受力具有明显空间特征，梁、板、墙等结构构件受力复杂，对计算模型进行合理简化，采用三维空间模型计算分析，可避免由于平面简化模型对板侧向刚度的不合理假定而造成的计算失真现象。
4.2 确定最不利荷载组合工况是准确模拟计算端头井结构受力的关键所在，本文提出的运行工况荷载组合和浮托工况荷载组合方法能够较为准确的计算端头井结构实际受力状态。
4.3 运用Autodesk Robot Structural Analysis Professional
软件对端头井三维空间模型进行计算，计算结果能够为端头井内部结构设计提供重要依据。
参考文献：
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