地鐵箱形結(jié)構(gòu)計算

地鐵箱形結(jié)構(gòu)計算淺析周小華鐵道第四勘察設計院軌道院武昌430063【摘要】本文通過對地鐵車站箱形結(jié)構(gòu)的平面計算方法、空間計算方法的分析，提出了有關箱形結(jié)構(gòu)計算的若干看法?！娟P鍵詞】箱形結(jié)構(gòu)空間計算彎矩分配在城市地鐵車站的結(jié)構(gòu)設計中，明挖或蓋挖主體結(jié)構(gòu)由于受到周邊環(huán)境、建筑布置、投資等多種環(huán)境的制約，其型式比較類似，基本上采用矩形箱體結(jié)構(gòu),如下圖所示。具體又可設計為單層多跨、雙層雙跨、雙層多跨等箱形結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)的計算方法有平面計算方法和空間計算方法兩種。圖110m站臺地鐵箱形結(jié)構(gòu)平面圖圖210m站臺地鐵箱形結(jié)構(gòu)剖面圖平面計算方法在現(xiàn)行的地鐵設計中，一般對該箱形結(jié)構(gòu)采用平面框架來進行計算。計算采用等代框架法，即取縱向柱跨范圍內(nèi)的各層梁板、側(cè)墻與立柱組合為平面框架，忽略縱梁作用。在求出各等代構(gòu)件的內(nèi)力后，由于縱梁對板的支承能力在縱向不一致，還應參照板柱體系的規(guī)定，劃分柱上板帶和跨中板帶，將等代框架的計算彎矩以板帶分配系數(shù)進行分配，以確定各板帶的內(nèi)力，從而對構(gòu)件進行截面設計。這種計算方法雖然得到了廣泛的應用，但它的問題在于：將縱梁和板、柱分離開來另行計算，使得整個結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)條件不能得到滿足，導致板、縱梁內(nèi)力與實際不符；而且考慮彎矩分配系數(shù)時，由于邊界條件不同，不能照搬無梁板柱結(jié)構(gòu)，具體數(shù)值難以確定。這個缺陷實際上是由于在計算時忽略了縱梁的作用引起的，而平面的計算方法無法考慮縱梁的作用，因此有必要采取空間計算方法?？臻g計算方法2.1空間分析的計算模式空間計算同樣采用線彈性分析的有限元數(shù)值法求解，假設結(jié)構(gòu)材料完全勻質(zhì)，應用各向同性本構(gòu)模型，在確定的荷載（作用）狀況下，結(jié)構(gòu)分析得到唯一解。我們采用SAP84結(jié)構(gòu)分析通用程序?qū)ι蠄D所示箱形結(jié)構(gòu)進行了空間分析，其計算模型與假定如下：將板、墻細分為板殼單元，縱梁、立柱為框架單元，每個節(jié)點均有6個自由度；梁、板在縱向模型邊緣按豎向滑動支座模擬；土體對底板的作用采用受壓彈簧模擬；荷載采用面荷載的形式輸入；毅縱向截籃取早5哈跨作為計算分嗎析范圍。剩2.2噴計算過程與成忘果分析河根據(jù)上述原則態(tài)與假定，我們蓬采用地鐵常用夏的幾種柱距（赴6機m~10m世）途，轎選用不同的梁誘、板截面進行花了分析，并根汪據(jù)通用作法，呢在縱向上將柱撒兩側(cè)怎各晝1/堪4廳跨范圍作為柱蝶上板帶，剩價余架1/植2鴿跨作為跨中板惡帶得出了若干希統(tǒng)計表，下面瞇試對各表小(菠三層板規(guī)律相吳似，僅列出頂抹板癥)極進行分析：味1)傘板梁線剛度對稱彎矩分配系數(shù)掠的影響限彼枯論木彎矩分配系數(shù)特與梁板線剛度硬關系防表斷叨頸擇催句表熟1閱梁板線剛度沫比梨β專10頌15號20反35煙50窩110弱墻端彎矩分配宿系數(shù)碑0.5/0.少5勵0.5/0.育5鉆0.5/0.吼5蠶0.5/0.佛5畝0.5/0.按5鼻0.5/0.弦5慨跨中彎矩分配睛系數(shù)貢0.5/0.骨5昆0.5/0.疼5膏0.塘51宮/0.伍49晴0.5/0.耗5階0.5/0.懇5教0.5/0.遵5雖柱端彎矩分配倉系數(shù)小0.65/0秀.35鴿0.60/0慢.40腿0.57/0充.43意0.55/0冷.45樸0.53/0弦.47甘0.52/0胞.48鑒注佩:1往。盤β桑=位i蜂L徐/i值B斜，代口i養(yǎng)B紹：構(gòu)單位寬度板的畏線剛度。借2罷．彎矩分配系故數(shù)中，前為柱喝上板帶分配系弱數(shù)，后為跨中廚板帶分配系數(shù)墾。齡駐壇蹈彎矩分配系數(shù)漂與縱向柱跨關斤系子銹斬鈔如表哭2汗攪蝦憂柱牙距箏河項碰目此啟L=6m壇β堆=27堡L=7m忌β蘭=23鉗L=8m火β匪=20資L=9m庭β獲=18衫L=王10潛m同β辮=16涌柱端彎矩斃柱上板帶熔0.54豪0.5混5止0.5匹7矛0.硬60諷0.待6洞3孟跨中板帶棋0.46閉0.4竊5躺0.4石3夠0.抱40纏0.37呈注：表列數(shù)據(jù)近均為偽圖代2吧斷面計算結(jié)果去。可以看出:貸墻端、跨中處帶，板上彎矩并位不呈現(xiàn)板帶劃雖分；得當梁板線剛度睡比小嘴于莫5棍0法時，柱端負彎虹矩有比較明顯蓋的板帶劃分；澤兩者線剛度比艇越小，板帶的刃間的受力區(qū)別泳愈明顯；晌柱端彎矩隨著榨梁板線剛度比添的減小，向柱親上板帶轉(zhuǎn)移，垃而且轉(zhuǎn)移速度湖越來越快。凍2.3譜縱向彎矩的考獲慮拌由于采用平面閣框架計算無法畜獲得縱向內(nèi)力搭，現(xiàn)行地鐵結(jié)詢構(gòu)設計時在考頃慮混凝土收縮灌、徐變，溫度要應力后，提出狼縱向配筋率不觀宜小于澆0.4%(蠶雙面況)夜，僅在如下幾逆種情況下方考戰(zhàn)慮進行空間計暫算：穴1)行覆土厚度沿車棗站縱向有較大器變化時；綁2)油車站結(jié)構(gòu)上部息直接有建筑物柱或重要構(gòu)筑物候時；勁3)胖車站底板座落憂地層有顯著差殘異時。染而根據(jù)空間計脖算結(jié)果，我們怒發(fā)現(xiàn)一般斷面剃情況在一定情蠢況下也需考慮井縱向內(nèi)力問題的。表椒3叉、動4寧、驢5豬（僅示出頂板慧）即顯示在不投同柱距情況下狹箱體縱向內(nèi)力推是有較大區(qū)別罩的。杏籌辯營婦黎狹柱端斷面縱向尊彎矩統(tǒng)計灣表平瀉義擁帝走表文3歸位置配柱距陪柱上眉離貌柱鉤1/委8坡跨處爹離矩柱鄙2/久8嫂跨處羅離宰柱裹3/祝8炸跨處插離蹈柱友4/慶8?？缣幇胱畲笈浣盥矢霯=6僑m蓬-164.5午-116.3析-26.3韻29.8巴46.2乎0.2%來L=8伸m恭-250.9小-160.3位-6.1誠79.5絡104.2憲0.25%麗L=它10m岔-345.2聞-204.0逢23.2常142.1遺178.0帳0.34%誘跨中斷面縱向伏彎矩統(tǒng)計快表壩粘疏舅燙害表用4嚼位置吼柱距潑柱上斥離置柱陡1/屑8鴨跨處胳離剪柱震2/鹽8懲跨處敬離醋柱瞞3/抄8騰跨處誰離舉柱櫻4/朋8蘇跨處圍最大配筋率民L=6幅m左107.8掌105.1敏104.3困104.5是104.6陵0.2%鉗L=焰8m什89.3兄91.1咬99.0欄106.9居109.9患0.2%骨L=呢10m湯65.0萍74.5耐99.3循123.7摘133.7壩0.2%純墻端斷面縱向破彎矩統(tǒng)計桿表營敞臨威造蠻表悼5井位置表柱距鹽柱上柏離忌柱潑1/眨8鼓跨處思離繪柱跑2/行8桃跨處這離鳥柱捏3/依8叫跨處削離再柱瑞4/無8嘉跨處香最大配筋率帝L=6昌m支-74.8面-74.9虜-74.8贊-74.7棒-74.8懶0.2%勤L=奸8m裁-74.9鬧-74.9繡-74.8倒-74.8好-74.7詢0.2%檔L=阻10m窄-83抹.信5想-83.3蘇-82.9飲-82.5司-82.4借0.2%饑注：談1.勇單位：鋪kN*m黑2.招上需述三表所列數(shù)蟲據(jù)均為賭圖濫2永斷面計算結(jié)果蟲。群可以看出，板殖縱向受力也極秒有規(guī)律：恢在縱梁附近始，挽受縱梁影響，服該處板的縱向磚受力類似于擱膽在柱上的連續(xù)會梁，柱端為負什彎矩，跨中為刮正彎矩，而且聲絕對值較大。串在縱向柱距不宵小于鴉8m自時，其杜控制截面的配蠢筋率已突奉破勒0.2窗%源；睛釋在跨中，板的茅縱向彎矩不變趟號，均為下部墳正彎矩，而且殲隨著柱距的增吐加彎矩向中部怖轉(zhuǎn)移竄，竟0.2粒%盈的配筋率可以臂滿足要求；捐在墻端，縱向綱為負彎矩，且況極其穩(wěn)定突，填0.2韻%黨的配筋率可以勇滿足要求。城2.4羽空間計算與平飽面計算的差異余經(jīng)過上述分析尼，我們對該類裳箱形結(jié)構(gòu)的空潤間受力的分布卵規(guī)律已有了初擋步的了解，那筑么空間計算和炒平面計算在結(jié)蔑果上是否吻合籠呢？我們采用足平面框架計算算軟件四（索PMCB啞C霉）對主圖賣2錘斷面知（鳴L=8榨m宗）進行了計算酬，并按怖表磨2綿所列的分配系洪數(shù)進行了處理舅，其結(jié)果如下煌：踢皆圖骨3船鋪柱上板帶彎矩翅圖寇除（做kN*m安/4研m衫）剃昌就圖舟4浙綱跨中板帶彎矩魂圖謠臺（雁kN*m/4蟲m搞）澤空間解和平面世解在墻端、跨厘中內(nèi)力較為接茂近。而在柱端破頂、底板處的垂空間獻解忽/溫平面解的比值球分別和為語62努%苗及塞75盤%彩，吻合得較差躬。究其原因，譜I貸：因為計算模燈式的原因，平騰面和空間解析冬的原理不一樣裳，平面解無法熔計算板的縱向偽受力狀態(tài)蘭；兵I劫I瓜：由于平面解坑不能滿足結(jié)構(gòu)須的變形協(xié)調(diào)關遞系，尤其是在妙縱梁支承點處撕的位移協(xié)調(diào)關隆系，不能正確瞇的模擬梁對板拐的支承作用，償雖然人為的進咳行了內(nèi)力調(diào)整避，仍有較大差彩異。秩在實際設計中攜，按平面計算壁結(jié)果進行截面頓設計雖與結(jié)構(gòu)樂的實際受力不穿符，但是結(jié)構(gòu)貼在達到承載能覺力極限狀態(tài)之末前，總要發(fā)生乖程度不等的塑素性內(nèi)力重分布廈，最終的內(nèi)力涼分布主要取決鐘于各構(gòu)件（截科面）配筋和極拌限彎矩陣值，艦平面計算方法慰利用了結(jié)構(gòu)的蝶這一特性，結(jié)堤果是安全、可報用的。3．結(jié)論思地鐵箱形結(jié)構(gòu)匹由于縱梁的設柳置，致使板內(nèi)賊彎矩的分布規(guī)捆律發(fā)生了較大盜變化，本次分郊析僅限于雙層游雙跨箱體結(jié)構(gòu)伯，竊我們可以得出夸關于這種結(jié)構(gòu)它的一些有益的灌結(jié)論：鋪縱梁的設置改蛋善了板的受力袍狀況，當梁、屢板線剛度比大泳于劑5市0浴時，結(jié)構(gòu)板的鞠受力條件較好豬，較均勻，接稿近于單向板。匆當梁板線剛度怎比小凱于限5釋0案時，結(jié)構(gòu)板的芽雙向受力特征蛙較強。柱端彎抄矩宜進行板帶罵劃分；在柱距竟較大段（然>8僑m肆）時還需考慮博板的縱向受力駁要求；訓采用等代框架充法對箱形結(jié)構(gòu)扔進行設計，是寄可行的。旋我院在結(jié)構(gòu)型芬式相對簡單的仰地鐵出入口結(jié)巧構(gòu)設計中開始廊使用了空間計描算方法，取得箏了不錯的效果雕。但由于其分督析手段較為繁占復，限制了其嘉在復雜的主體夫結(jié)構(gòu)中的應用鞠。平面框架計適算法因為不能杏滿足變形協(xié)調(diào)蘋方程，只能說輪是一種近似的茄計算方