基于SAP2000的地铁车站结构二维计算优化设计探讨

冉冬琴刘科成

（中铁隧道勘测设计院有限公司　天津　300133）

基于SAP2000的地铁车站结构二维计算优化设计探讨

冉冬琴刘科成

（中铁隧道勘测设计院有限公司天津300133）

针对某地铁车站，结合相关规范要求及实际设计经验，运用SAP2000有限元结构分析程序，对主体结构设计计算过程中遇到的常见关键点进行了对比计算分析，结果表明：为了尽量接近结构实际的受力模式，提高工程建设的经济性，必须考虑构件连接处的加腋、刚域以及轴力的影响。

地铁车站；结构计算；优化设计；SAP2000

前言

由于使用功能的要求，大多数车站设计成沿横向二～四跨、纵向为多跨的长条结构，沿高度大多分二～三层，结构内部只设纵梁不设横梁，或局部设有高度受到严格限制的横梁。为抵抗水土压力、车辆荷载以及特殊荷载，结构的顶板、底板、边墙往往都较厚，顶梁、底梁的截面高度也很大，中间楼板由于要承受较大的设备荷载、人群荷载及装修荷载，其厚度也比一般的楼板厚许多，这样就形成一座有巨大刚度的地下长条结构。

计算时，计算模型的正确合理性，决定了结构的安全和经济性。本文结合相关规范要求及实际设计经验，对主体结构设计计算过程中遇到的常见关键点，结合具体工程进行了对比计算和分析，结果表明：考虑构件连接处的加腋、刚域以及轴力的影响，比较符合结构实际的受力模式，能够极大地减小结构构件的含钢量，在满足安全的同时，增加经济性。

1　工程概况

某车站为地下三层岛式站台，主体结构标准段结构型式为单柱双跨矩形框架结构，横向净跨22.5m；主体结构采用明挖顺作法施工，主基坑开挖深度约20.3m，围护结构选用1200mm地下连续墙，嵌固深度为20m。

2　计算条件

覆土厚度取3m；地下水位按最不利水位考虑，取至地面；静止侧压力系数加权值取0.5。主体围护墙参与计算时，刚度折减到原来的50%。主体结构柱为轴心受压构件，按受压刚度相等换算成每延米的薄壁墙截面。

3　计算模型及基本假定

对于地铁多跨车站，由于采用了纵梁、立柱体系（非中隔墙），各层板的内力和变形不符合平面应变假设。柱上板带处纵梁挠度接近于柱的压缩量，受力特性接近单向板；而纵梁跨中的板带，由于纵梁挠度相对较大，不仅能产生横向挠度，也能产生纵向挠度，其受力特性接近双向板。

中柱刚度的简化方法，一般将单根柱子的压缩刚度除以纵向柱跨，作为平面模型中柱刚度，此时要注意释放掉中柱与板交接处转动自由度，只耦合平动自由度，否则可能会导致板的弯矩和转动变形传递一部分给中柱。这种简化模式计算出来的中柱压缩变形量与空间模型中柱子对应断面处的柱子压缩变形是一致的（即板在柱位置处的挠度是一致的），在忽略板纵向挠度带来的双向板效应的情况下，此模型的计算结果可以近似为柱上板带的结果。

计算软件采用有限元计算软件SAP2000，结构采用荷载-结构模型，沿车站纵向取单位长度按底板支承在有限弹性地基上的平面框架进行分析，将三维空间结构简化成二维平面框架结构，按结构内力分析模型，进行各阶段不同荷载组合内力分析，计算图式见图1。

图1　主体结构计算简图

基本假定：

（1）地铁车站主体结构计算时，假定构件在弹性阶段工作，很少考虑构件进入塑性阶段工作。弹性分析为最基本和最成熟的结构分析方法，特别适用于承载力和裂缝验算，同时弹性分析的结果简易实用，承载力设计偏于安全。

（2）构件间连接的简化为刚接、铰接等。现浇结构和装配式整体结构的节点可视为刚接，非整体浇筑的次梁及板跨两端可近似为铰接。计算跨度、高度按支撑中心距或净距确定，并根据连接刚度或支撑反力的位置修正。杆件间连接刚度较大时，在计算模型中可作为刚域处理，如纵梁和中板相接处，顶底板和侧墙相接处。

（3）假定构件为小变形弹性梁，离散为足够多个等厚度直杆梁单元。

（4）用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与墙的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩墙间的粘结力；弹簧受压时的反力即为围岩对墙的弹性抗力。用GAP单元模拟连续墙与侧墙之间水平力传递。

4　主要荷载及荷载组合

（1）结构自重：结构自身重量产生的沿构件轴线均匀分布的竖向荷载，一般可由计算程序自动计算。混凝土构件按γ=25kN/m3考虑。

（2）地层压力：车站上覆土层为3m，计算截面以上全部土柱重量作为垂直荷载，取覆土重度γ=20kN/m3。对于使用阶段，结构承受的水平力按静止土压力计算。对于砂性土，采用水土分算；对于粘性土，采用水土合算。

（3）地基反力：对于明挖车站地基反力的大小和分布规律，采用文克尔假定，根据所采用的计算简图在计算中以弹簧模拟地基反力，将车站底板按弹性地基梁考虑。弹簧刚度KC取单位面积上的地基垂直抗力系数K。

（4）设备荷载：设备区按8kN/m2计算，对个别超重设备考虑其运输路径对结构的影响。

（5）地面超载：地面超载按20kN/m2计算。

（6）地铁车辆荷载：列车荷载取20kN/m2计算。

（7）站内人群荷载：站台、站厅、楼梯、车站管理人员用房等部位的人群荷载按4kN/m2计。

（8）人防荷载：抗力级别为6级，动力系数取2.0，直接作用在门框墙上的冲击波超压的等效静荷载取100kPa，作用在门扇上的冲击波超压等效静荷载取75kPa，构件计算按《人民防空地下室设计规范》（GB50038-2005）的有关规定计算。

表1　荷载组合表

5　计算分析

由于计算模型的建立一般取构件中心线或者中心面，构件支座处的内力计算结果一般较大，而支座处柱子和支撑墙范围内可以视为无限高的梁高，故一般可将支座处的内力削峰至柱边或墙边。对于有限元计算模型，柱边或墙边的内力可以直接从软件上提取。对于手动计算构件的弯矩可以通过公式M=M0-V×B/ 2+P/2×（B/2）2进行削峰，M为构件弯矩，M0为构件中心点弯矩，V为剪力，B为支座宽度，P为线荷载。图2、图3分别为基本组合下不考虑刚域弯矩图和剪力图。图4、图5分别为基本组合下考虑刚域弯矩图和剪力图。

图2　不考虑刚域弯矩包络图

从计算结果可以看出：

（1）在正常使用阶段，顶板弯矩、剪力在中支座处达到最大值；底板在板端处达到最大值，靠近底板的侧墙下部也有较大的弯矩和剪力。因此，针对这些部位，设计时要采用合理措施，如考虑板墙连接处结构加腋及刚域/削峰的影响，优化结构设计。

（2）中板最大弯矩较小，尚达不到顶板最大弯矩的20%，但是为了满足变形协调条件，中板厚度不能只取顶板厚度的20%，否则中板挠度会不满足规范限值要求。

（3）围护结构在地下二层范围内有较大的弯矩和剪力，因此，基坑越深，施工风险越大。

图3　不考虑刚域剪力图

图4　考虑刚域弯矩包络图

图5　考虑刚域剪力图

表2　削峰前后结构配筋计算表

6　结语

本文以某地铁车站为计算实例，分析了地铁车站结构荷载取值、结构计算等问题，并利用有限元计算程序，分析了主体结构设计计算过程中遇到的常见关键点，结合具体工程进行了对比计算和分析，结果表明：

（1）顶、底板在板端和中支座处有较大的弯矩和剪力，针对这些部位，设计时要采用合理措施，如考虑板墙连接处结构加腋及刚域的影响，优化结构设计。

（2）中板承受弯矩较小，可以采用较小的厚度。但是为了满足变形协调条件，中板厚度不能太薄，否则中板挠度会不满足规范限值要求。

（3）为接近结构实际的受力模式，极大地减小结构构件的含钢量，需要考虑构件连接处的加腋、刚域以及轴力的影响。

[1]《地铁设计规范》（GB50157-2013）[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2]《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3]陈冬，王琪.地铁车站结构设计合理性分析[J].工程建设与设计，2007（5）：52.

[4]罗旭.地铁车站各设计状况的结构分析[J].都市快轨交通，2012，4（25）.

[5]伊兴芳，张春雷.城市地铁车站结构设计[J].甘肃科技，2009，1（25）.

U231

A

1673-0038（2015）30-0299-03

2015-7-12

冉冬琴（1988-），女，助理工程师，硕士，2010年毕业于武汉理工大学，岩土工程专业，主要从事城市轨道交通设计、地下隧道设计工作。