無柱拱形車站中板結(jié)構(gòu)受力特性數(shù)值分析★

馬 建 民

(上海軌道交通15號線發(fā)展有限公司，上海 200000)

0 引言

在當(dāng)今城市急速發(fā)展的時(shí)代，地下空間開發(fā)顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，其中城市地鐵交通系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。隨著地鐵運(yùn)營里程的不斷增加，對車站的便捷性、舒適性、美觀性提出了更高的要求。現(xiàn)代地鐵車站將以大空間、大跨度、注重功能安全和舒適實(shí)用為發(fā)展方向。為了提高地下空間利用率，提升乘客體驗(yàn)，無柱車站方案被提出[1-3]。

不少學(xué)者針對無柱地下車站開展了研究，孫俊利[4]以北京車公莊站設(shè)計(jì)為例，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算、工程類比等輔助手段，確定大跨單拱無柱的設(shè)計(jì)方案；張世榮[5]以南寧富水圓礫地層為工程背景，通過試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬研究無柱大跨地鐵車站結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化與耐久性；鐘波波等[6]通過數(shù)值模擬研究了典型無柱地鐵車站在地震作用下的動力響應(yīng)。

無柱大跨地下車站建設(shè)的難點(diǎn)在于其新型的結(jié)構(gòu)形式的受力特性尚不明確，另外，需采取特殊的結(jié)構(gòu)工法以保證施工的順利進(jìn)行[7,8]。無柱大跨地鐵車站站廳層，即中板結(jié)構(gòu)的受力特性與常規(guī)車站中板結(jié)構(gòu)具有較大差異，開展相關(guān)研究具有重要意義。本文將以上海地鐵15號線吳中路站大跨度無柱車站為背景，以數(shù)值模擬為研究手段，研究其中板結(jié)構(gòu)在復(fù)雜工況下的受力特性。

1 工程概況

15號線吳中路站位于徐匯區(qū)桂林路下方，沿桂林路南北向布置。車站主體結(jié)構(gòu)西側(cè)為上海市自來水市南有限公司泵站管理所，東側(cè)為申通集團(tuán)，車站南側(cè)有兩座110 kV高壓鐵塔。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，場地屬穩(wěn)定場地，地勢平坦，地基軟土基本上成層分布，未跨越不同地貌單元或地質(zhì)單元，場地地基穩(wěn)定。

吳中路車站主體結(jié)構(gòu)截面如圖1所示，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層。車站中心里程SK21+533.921，主體規(guī)模170 m×(19.8 m～24.4 m)(內(nèi)徑)，站臺中心處頂板覆土約4.1 m，底板埋深約19.5 m，站中心軌面標(biāo)高為-13.053 m。

吳中路無柱大跨地鐵車站采用拱形頂板設(shè)計(jì)，頂板大跨拱結(jié)構(gòu)在上覆土作用下產(chǎn)生的水平推力通過側(cè)墻傳遞，而水土側(cè)壓力不足以平衡該水平推力，從而造成中板受拉。車站主體施工完成后，恢復(fù)道路進(jìn)行附屬施工。頂板拱結(jié)構(gòu)在附屬基坑開挖過程中內(nèi)力重分布，拱腳變形，從而產(chǎn)生附加水平推力，通過地連墻傳遞，最終由中板平衡，中板的受拉進(jìn)一步增加，中板—地連墻連接接頭和中板甚至將處于拉彎受力。圖2，圖3分別為吳中路站中板結(jié)構(gòu)、受拉中板—地連墻節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與配筋簡圖。

2 數(shù)值模擬

2.1 本構(gòu)模型

本文數(shù)值模擬采用大型有限元軟件ABAQUS，混凝土為彈塑性損傷本構(gòu)，等級為C35，其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4和圖5所示；鋼筋為理想彈塑性本構(gòu)，如圖6所示；地下連續(xù)墻選用彈塑性本構(gòu)，如圖7所示。

2.2 中板結(jié)構(gòu)與中板—地連墻節(jié)點(diǎn)模型

受拉中板的三維數(shù)值模型如圖8所示，其中數(shù)值模型計(jì)算跨度取為1.0 m。荷載方面，考慮標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值兩種工況，根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)力，中板軸力標(biāo)準(zhǔn)值為1 800 kN，中板上部均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為10 kN/m，重力為10 N/kg。荷載設(shè)計(jì)值是由荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以1.1(結(jié)構(gòu)重要性系數(shù))，再乘以1.35(荷載分項(xiàng)系數(shù))得到，即為標(biāo)準(zhǔn)值的1.485倍。

中板—地連墻節(jié)點(diǎn)的三維數(shù)值模型如圖9所示，在荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，中板上部均布活荷載為10 kN/m，地連墻在中板上方節(jié)點(diǎn)處彎矩M側(cè)=2 544 kN·m，剪力F=1 413 kN，地連墻在中板下方節(jié)點(diǎn)處彎矩M側(cè)=1 700 kN·m，剪力F=364 kN。將以上力分別按照力與力臂的加載原則，按照力臂長度與力大小，模擬節(jié)點(diǎn)處剪力與彎矩。

3 結(jié)果分析

3.1 受拉中板受力變形分析

由于荷載標(biāo)準(zhǔn)值和荷載設(shè)計(jì)值兩種工況只有在具體的荷載值上有區(qū)別，兩種工況計(jì)算下結(jié)構(gòu)受力變形體現(xiàn)出來的規(guī)律是一致的，接下來以荷載標(biāo)準(zhǔn)值工況為例，介紹中板的受力變形情況。圖10為中板結(jié)構(gòu)混凝土部分的應(yīng)力應(yīng)變云圖，中板混凝土整體受拉，僅兩端下部與跨中上部局部受壓，中板跨中附近下部與兩端上部相比其他部位受力較大，其中中板兩端與地連墻連接處上部受力最大，是最危險(xiǎn)部位，需要加強(qiáng)。

圖11為中板結(jié)構(gòu)鋼筋部分的應(yīng)變云圖，鋼筋整體受力情況與混凝土基本一致，整體上受拉；上側(cè)鋼筋兩端與下側(cè)鋼筋跨中受拉較大，角部鋼筋受力相比縱筋較小。最大鋼筋拉應(yīng)力出現(xiàn)在上側(cè)鋼筋一端，荷載標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計(jì)值作用下分別達(dá)到201.1 MPa，310.7 MPa，接近鋼筋屈服強(qiáng)度，其余鋼筋未達(dá)到屈服狀態(tài)。

圖12為受拉中板的整體變形云圖，中板變形以豎向位移為主，跨中撓度最大，荷載標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計(jì)值作用下受拉中板跨中截面撓度分別達(dá)到了41.0 mm，72.3 mm，分別占跨度23 m的1/560，1/318。

3.2 中板—地連墻節(jié)點(diǎn)受力變形分析

圖13為中板—地連墻節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)混凝土部分的應(yīng)力應(yīng)變云圖，從圖13可知，中板—地連墻節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)受力特性與中板結(jié)構(gòu)保持一致，上部與中板跨中附近下部混凝土與鋼筋受拉較大，其中中板—地連墻節(jié)點(diǎn)上部受力最大，是最危險(xiǎn)部位，需要加強(qiáng)。上部鋼筋節(jié)點(diǎn)處拉應(yīng)力最大，在荷載標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計(jì)值作用下分別達(dá)到208 MPa,325 MPa。

圖14為中板—地連墻節(jié)點(diǎn)的變形云圖，中板—地連墻節(jié)點(diǎn)處變形非常小，幾乎接近0，跨中位移最大，跨中撓度在荷載標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計(jì)值作用下分別達(dá)到41.9 mm，71.6 mm。節(jié)點(diǎn)受力變形的數(shù)值結(jié)果與中板結(jié)構(gòu)一致，互相驗(yàn)證。

4 結(jié)語

本文采用有限元軟件ABAQUS建立了上海15號線吳中路站無柱大跨拱形車站受拉中板與中板—地連墻節(jié)點(diǎn)的三維數(shù)值模型，并開展了荷載標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值兩種工況下的數(shù)值分析，主要結(jié)論如下：

1)受拉中板變形以豎向位移為主，跨中撓度達(dá)到最大值。在荷載設(shè)計(jì)值作用下中板跨中撓度可達(dá)72.3 mm，占跨度23 m的1/318。

2)中板結(jié)構(gòu)混凝土部分整體受拉，僅兩端下部與跨中上部局部受壓，兩端上部與跨中下部受拉應(yīng)力較大，其中中板—地連墻節(jié)點(diǎn)上部拉應(yīng)力最大，是最危險(xiǎn)部位。

3)中板結(jié)構(gòu)鋼筋受力特性與混凝土基本一致，兩端節(jié)點(diǎn)處上部鋼筋拉應(yīng)力較大，跨中下部鋼筋應(yīng)力較小，角筋應(yīng)力最??；除了在荷載設(shè)計(jì)值作用下兩端節(jié)點(diǎn)上部鋼筋處應(yīng)力(325 MPa)接近屈服應(yīng)力，其余部位鋼筋均未達(dá)到屈服狀態(tài)，再次說明了中板—地連墻連接處上部受力最大，是最危險(xiǎn)部位，需著重加強(qiáng)。