某城市地鐵車站風(fēng)井結(jié)構(gòu)分析

余 灝， 程遠志， 王 飛

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

某城市地鐵車站風(fēng)井結(jié)構(gòu)分析

余 灝， 程遠志， 王 飛

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

文章以某城市地鐵車站風(fēng)井為例，建立結(jié)構(gòu)平面應(yīng)變分析有限元模型，對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、變形和內(nèi)力進行結(jié)構(gòu)計算，得出結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)及結(jié)構(gòu)裂縫寬度，確定和驗證了支護方式。用有限元數(shù)值方法對風(fēng)井結(jié)構(gòu)模擬計算能較真實地反映結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形情況，可以用于對結(jié)構(gòu)安全性能進行評價，為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

地鐵車站；風(fēng)井；結(jié)構(gòu)；計算

目前，伴隨著巖土力學(xué)的發(fā)展，有限元法已成為發(fā)展最迅速的用于結(jié)構(gòu)分析的數(shù)值計算方法之一[1]。本文以某城市地鐵車站風(fēng)井為例，建立結(jié)構(gòu)平面應(yīng)變分析有限元模型，對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、變形和內(nèi)力進行結(jié)構(gòu)計算，得出結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)及結(jié)構(gòu)裂縫寬度，進而為確定和驗證結(jié)構(gòu)支護方式提供依據(jù)[2-3]。

1 工程概況、結(jié)構(gòu)模型及荷載計算

車站原始地貌屬構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)，后經(jīng)人工改造為城市主干道，場地已整平，地形由起點平緩上升。地形、地貌特征簡單。車站采用明挖法開挖。

風(fēng)井設(shè)于車站起點，結(jié)構(gòu)形式為豎井兼活塞風(fēng)井。地下結(jié)構(gòu)斷面需滿足通風(fēng)面積及行車限界要求，同時斷面結(jié)構(gòu)之上還有城市主干道通行。

風(fēng)井?dāng)嗝娌捎妹鞫磾嗝?，根?jù)文獻[4-5],計算采用荷載-結(jié)構(gòu)法，假定構(gòu)件為小變形彈性梁，離散為足夠多個等厚度直梁單元。建立風(fēng)井襯砌斷面模型，如圖1所示。

圖1 風(fēng)井結(jié)構(gòu)計算圖式

2 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全系數(shù)

基于溫克爾假定的彈性地基梁法認為地層的彈性抗力與結(jié)構(gòu)的變位成正比，據(jù)此采用彈簧來模擬荷載和結(jié)構(gòu)的相互作用[6]，用布置于模型各節(jié)點上的彈簧單元來模擬荷載和結(jié)構(gòu)的相互作用性[7]。計算采用有限元軟件Ansys分析，用BEAM3單元模擬結(jié)構(gòu)，用COMBINl4彈簧單元模擬荷載與結(jié)構(gòu)的相互作用，對結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬如圖2～圖5所示。

圖2 風(fēng)井結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖3 風(fēng)井結(jié)構(gòu)軸力圖

圖4 風(fēng)井結(jié)構(gòu)剪力圖

圖5 風(fēng)井結(jié)構(gòu)變形圖

對結(jié)構(gòu)模型提取內(nèi)力結(jié)果，參照文獻[4]，結(jié)構(gòu)按“破損階段”法計算安全系數(shù)，并驗算裂縫寬度。對風(fēng)井結(jié)構(gòu)型式進行結(jié)構(gòu)驗算，如表1所列(取不同部位)。

表1 安全系數(shù)檢算表

3 結(jié) 論

通過對風(fēng)井結(jié)構(gòu)二維有限元數(shù)值模擬分析，得出以下主要結(jié)論[8-12]：

(1) 從結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩圖可以看出，對于同一厚度的結(jié)構(gòu)，邊墻和底板的軸力比較大，而邊墻與底板連接處的彎矩和剪力都特別大，有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2) 通過結(jié)構(gòu)型式計算，可知該車站風(fēng)井的設(shè)計支護結(jié)構(gòu)是安全可靠的，選用的設(shè)計支護參數(shù)也是合理的。

(3) 用有限元數(shù)值方法對地下結(jié)構(gòu)進行分析計算能較真實地反映結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形情況，也可以用于對結(jié)構(gòu)安全性能進行評價。

[1] 蔣孝煜.有限元法基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1984.

[2] 周 德.基于Ansys的云桂鐵路軟巖偏壓隧道數(shù)值模擬語分析[J].大眾科技,2011 (11): 82～83.

[3] 馮文文，李守巨，劉迎曦. 隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性的有限元數(shù)值模擬分析[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8(3):703～707.

[4] TB 10003-2005, 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[5] GB 50157-2013, 地鐵設(shè)計規(guī)范[S].

[6] 趙尚毅，鄭穎人，宋雅坤，等．地下隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法探討[J]．后勤工程學(xué)院學(xué)報，2007，23(4):29～33．

[7] 李 圍.隧道及地下工程Ansys實例分析[M]．北京：中國水利水電出版社，2008.

[8] 吳連波，梁 波，黃友林．基于Ansys的隧道支護結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析[J]．交通標(biāo)準化，2008(2～3):92～94．

[9] 李興國，陳立強，趙東寅．基于Ansya荷載結(jié)構(gòu)法的淺埋明挖隧道受力分析[J]．采礦技術(shù)，2008(5):37～39.

[10] 王 鋒.隧道結(jié)構(gòu)Ansys有限元分析與研究[J].西部探礦工程,2012(2):189～191.

[11] 張德恒.開挖隧道支護結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2011，9(2):48～51．

[12] 管海濤，鄧榮貴，孫冬麗．隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值模擬分析[J]．四川建筑，2005,25(6):53～54．

遺失聲明

安徽同濟德渡機械設(shè)備租賃有限公司的安全生產(chǎn)許可證(副本)遺失。編號：(皖)JZ安許證字[2006]001584-2-1。特此聲明作廢。

2016年11月1日

安慶五一電器安裝有限公司許明同志的安全生產(chǎn)考核合格證書遺失。證書編號：皖建安C(2014)0181069。特此聲明作廢。

2016年10月19日

2016-09-09；修改日期：2016-09-12

余 灝(1979-)，男，安徽霍邱人，安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司高級工程師．

U231.4

A

1673-5781(2016)05-0620-02