基于SAP2000有限元軟件的明挖地鐵車站主體結構三維模型分析.doc

1、基于sap2000有限元軟件的明挖地鐵車站主體結構三維模型分析 摘要：通過對明挖車站結構傳統(tǒng)二維平面計算方法進行分析，指出此種計算方式的不足，建議對復雜的斷面多樣化的車站進行三維整體建模分析。結合現有工程實例，對明挖二層島式站臺車站在大型有限元結構分析軟件sap2000中進行建模計算，得出如下結論：明挖車站結構中的樓板非通常意義上的單向板，墻、板結構是明挖車站結構的主要受力結構；相對于二維計算，整體建模計算，車站標準段墻板單元彎矩略大，梁單元彎矩略小；車站結構最不利受力區(qū)域為底橫梁和車站與風道連接處，需仔細核算；二維計算下的車站端墻和邊梁局部設計配筋過強，存在優(yōu)化余地。 關鍵詞：明挖車站；sa

2、p2000；車站結構；板單元；殼單元；風道； 中圖分類號：u231文獻標識碼： a 一概述 明挖地鐵車站的計算通常采用平面剛架結構模型1，在與線路垂直方向截取尺寸，荷載條件不同的截面進行車站橫斷面計算，再沿線路走向截取縱斷面，計算梁柱受力。這種計算方式有著計算模型受力機理清晰，建模簡便，設計保守的優(yōu)點，但相對于車站三維整體建模，二維模型也有其弊端：首先二維模型對于車站斷面形式變化較少的車站相對簡便，但如果車站斷面形式多樣，尤其是縱斷面需要不止計算一種的情況下，其計算量會非常大，因為其縱斷面，每段梁的荷載需用板帶法進行手動計算再進行進行施加，如果柱跨不均勻，車站寬度變化多，會大大增加建模工作量，

3、而三維整體建模只需建模一次，并且無需手動計算梁單元荷載，所以相對于三維維整體建模，二維模型計算并不一定能做到簡便省時；從受力考慮，二維模型計算沒有考慮板的縱向剛度，即板不能與梁共同承受彎矩，這顯然不合理，會造成梁單元彎矩比實際大，造成經濟浪費；另外由于平面模型自身的局限性，無法模擬側墻風道出入口開洞，盾構開孔，中板開孔等細部計算。因此需要適時考慮應用三維模型計算，減少工作量，提高結構設計的可靠性和經濟性。 二明挖地鐵車站結構 明挖車站結構不同于地上混凝土框架結構，其頂，中，底板極少采用雙向板肋梁樓蓋與無梁樓蓋結構，但也不同于單向板肋梁樓蓋，通常，延線路方向梁為主梁，在垂直于線路方向的位置，只有

4、設置扶梯吊鉤與車站高度寬度變化等位置才設置次梁，一般只有單方向的主梁；明挖車站沒有基礎，其底板結構即是基礎結構，以溫克爾彈簧的連接方式作用于地基土體；側墻是車站結構的主要承重結構，車站側向土體土壓力作用在側墻上，平衡于頂、中、底板的軸力。車站頂板，底板與側墻連接處通過腋角增強剛度。在整個受力體系中，墻、板結構發(fā)揮了重要的作用，這與以梁柱結構為主的地上混凝土框架結構形成了鮮明的對比。在這種情況下，板結構不能簡單的歸為單向板還是雙向板，而是在sap2000軟件中，通過單元網格劃分，與梁柱體系協同受力。 在sap2000軟件中可以實現面單元的網絡劃分，通過網絡劃分后的板單元，其邊緣處的梁單元也自動進

5、行劃分并于劃分后的板單元共用節(jié)點。根據車站結構體系的特點，面荷載需施加“均布荷載”而不是“均勻分布到框架”，實際計算中，如果采用“均勻分布到框架”的方式施加荷載則結算結構明顯比實際偏小。 三明挖車站結構在sap2000有限元軟件在有限元軟件中的實現 3.1 工程概況 本次分析選取蘭州市城市軌道交通1號線一期工程拱星墩站，位于城關區(qū)現狀道路東崗東路與焦家灣路丁字路口處，車站沿東崗東路東西方向鋪設。標準段：寬度為20.1020.70m，總高13.5414.23m，結構底板埋深約17.3618.05m；盾構加深段：寬度為30.60m，總高14.87m，結構底板埋深約18.24m。中心里程處結構頂板覆

6、土厚約3.82m。 拱星墩站所處場地地基土自上而下為：地表一般分布有人工填土；其下為全新統(tǒng)的沖積黃土狀土、卵石，底部為下更新統(tǒng)卵石。 3.2主要構件材料及尺寸 1) 材料的選擇須滿足結構強度及耐久性要求，按照混凝土結構設計規(guī)范2(gb50010-2010)及混凝土結構耐久性設計規(guī)范3(gbt50476-2008)要求，主要受力構件材料選取如下： 混凝土：頂、底板和側墻混凝土強度等級為c50，抗?jié)B等級為p12，中板為c35，柱為c50，素混凝土墊層為c20；主筋采用hrb400 2)主要構件尺寸 標準段：頂板厚800mm，中板厚400mm，底板厚900mm。頂、中、底板與內襯墻支座處均設斜托局部

7、加厚 3.2 模型實現 sap2000是獨立的基于有限元的結構分析和設計程序。它提供了功能強大的交互式用戶界面，帶有很多工具幫助快速和精確創(chuàng)建模型，同時具有分析最復雜工程所需的分析技術4。 sap2000默認情況下有兩個操作窗口，可以在這兩個操作窗口中可以分別設置顯示模式，顯示對象和結構激活、鈍化情況，非常方便，另外與midas軟件不同，sap2000可以在劃分單元網絡之后，可對劃分后的單元進行整體指定操作，例如施加荷載，定義截面、邊界條件等，它還可以將劃分精細程度不同的相鄰板單元或實體單元實現變形協調。但在施加漸變荷載方面，sap2000只能通過定義節(jié)點樣式來進行施加，不如midas操作靈活

8、。 在sap2000中，板殼對象按照受力特點可以分為三類：膜單元、板單元和殼單元。膜單元只具有平面內的剛度；板單元與膜單元相反，只具有平面外的剛度，承受彎曲力，模擬薄梁或者地基梁等；殼單元的力學行為是膜單元與板單元之和，是真正意義上的殼單元。 墻板結構是明挖車站的受力主體。模型實現過程中的每一個細節(jié)，決定模型質量與受力分析的準確性。本次車站所有墻，板結構均采用殼單元進行模擬，并應選擇厚殼。其中，參數“thickness of membrane” 用于計算殼元或膜元的面內剛度和用于計算自重和質量(動力)；thickness of bending 用于計算板或殼單元的面外剛度，所以本次建模應將這兩

9、個參數應與實際板單元厚度一致5。 3.3計算結果 圖3.1 車站整體框架體系基本組合彎矩圖 圖3.2 車站側墻基本組合彎矩圖 圖3.3 車站底板基本組合彎矩圖 圖3.4 車站中板基本組合彎矩圖 圖3.5 車站頂板基本組合彎矩圖 圖3.6 車站盾構端端墻基本組合彎矩圖 表3.1 二維三維模型計算結果對比 構件位置 二維平面計算基本組合彎矩(kn?m) 三維整體計算基本組合彎矩 (kn?m) 頂板標準段（跨中/中柱支座） 653/1071 760/1203 中板標準段（跨中/中柱支座） 95/170 160/250 底板標準段（跨中/中柱支座） 876/1121 1005/1477 側墻（跨中/與

10、底板連接處） 246/970 430/1003 頂縱梁標準段（跨中/支座） 4733/6700 3446/4655 中縱梁標準段（跨中/支座） 1684/1972 892/1302 底縱梁標準段（跨中/支座） 5663/9100 4733/7889 4.結論 通過本次三維模型計算，得出如下結論： 1)通過三維建模可以推斷，墻、板結構在明挖車站受力體系中發(fā)揮著重要作用，與梁、柱體系協同承擔荷載，三維計算結果表明真實情況下墻，板實際受力略大于二維平面計算結果，各主梁的實際彎矩小于二維平面計算結果。 2)車站與風道連接處，應確保變形縫量測梁的剛度和柱跨的合理性，減小頂板變形。 3)車站盾構擴大段與標

11、準段連接處的底橫梁，跨中位置基本組合彎矩達到8000kn?m以上，應增強底橫梁截面上部配筋。 4)盾構端墻抗震柱兩側和第一層抗震柱之間的區(qū)域彎矩很小，建議盾構端墻采取在此類區(qū)域減少配筋。 5)車站各側梁，彎矩都處于較低水平，尤其是中板盾構端邊梁與平面計算出入較大。其梁的尺寸和配筋還有優(yōu)化余地 參考文獻：1李興高，張彌地鐵車站結構內力計算中的問題j都市快軌交通2005，18(5)：2630li xinggao，zhang miproblems in internal force calculation ofmetro station structurejuraban rapid rail transit200518(5)：2630. 2 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部gb50010-2010混凝土結 構設計規(guī)范s北京：中國建筑工業(yè)出