地鐵人防門框墻設(shè)計計算分析

林成虎

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

1 引言

在現(xiàn)代化交通建設(shè)過程中，地鐵交通建設(shè)是非常重要的交通建設(shè)模塊。實際地鐵建設(shè)還包括對地鐵車站的整體建設(shè)和設(shè)計，尤其是車站人防門框墻的設(shè)計非常關(guān)鍵，關(guān)系到項目的整體設(shè)計效果，同時也關(guān)系到地鐵車站人防工程的設(shè)計效果，能確保地鐵施工更加安全。而在實際地鐵人防門框墻設(shè)計過程中，還應(yīng)注重對其各單元進(jìn)行設(shè)計計算，確保各模塊應(yīng)力計算合理，也能夠最大限度地提升其應(yīng)力設(shè)計效果，確保應(yīng)力設(shè)計更加有效，最終提升人防門框的整體設(shè)計計算效果。

2 地鐵人防門框墻分析

地鐵車站人防建設(shè)是地鐵車站建設(shè)過程中的重要組成部分，對于項目建設(shè)實施而言有非常重要的作用，一定程度上也關(guān)系到地鐵的實際管控工作。在地鐵人防建設(shè)中，人防門框墻是主要部分，對于人防門以及人防工程建設(shè)而言有非常重要的意義，一定程度上也關(guān)系到人防工程效果。在實際地鐵車站建設(shè)過程中人防墻上有需要設(shè)置門的地方，需要對人防墻配筋和尺寸進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計，這樣連同門框和人防墻一起按一個構(gòu)件給出配筋和尺寸的就是門框墻。在當(dāng)前地鐵車站人防門框墻設(shè)計過程中，其主要形式包括兩側(cè)懸臂式、一側(cè)懸臂一側(cè)柱式、兩側(cè)柱式等不同類型。而在實際人防門框墻設(shè)計中不僅需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體設(shè)計，還需要對其各結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行計算分析。為了確保地鐵車站人防門框墻能夠合理地設(shè)計應(yīng)用，在具體設(shè)計過程中，需要對其進(jìn)行設(shè)計計算，通過設(shè)計計算，確保其整體設(shè)計應(yīng)用更加合理。

3 地鐵車站人防門框墻計算要點分析

人防門框墻設(shè)計計算是門框墻最重要的設(shè)計內(nèi)容，對于項目的綜合應(yīng)用設(shè)計也有重要作用。所以在實際項目設(shè)計中，需要對其項目進(jìn)行綜合應(yīng)用設(shè)計管控，確保項目設(shè)計應(yīng)用更加合理。以下是對其設(shè)計要點的分析：

1）在地鐵車站人防門框墻設(shè)計過程中，需要對其設(shè)計人員進(jìn)行必要的培訓(xùn)。設(shè)計人員是人防門框墻計算設(shè)計的主要實施者，設(shè)計計算人員的綜合素質(zhì)直接關(guān)系到人防門框墻的設(shè)計效果。在實際人防門框墻設(shè)計應(yīng)用中，需要對其項目設(shè)計者進(jìn)行綜合性培訓(xùn)，包括對計算精度意識進(jìn)行培訓(xùn)，對設(shè)計計算方法進(jìn)行培訓(xùn)，使設(shè)計人員學(xué)會使用門框墻設(shè)計計算方法，包括有限元設(shè)計方法等。通過實際優(yōu)化設(shè)計方法應(yīng)用，確保其設(shè)計展開更加有效，從而提升設(shè)計效果。

2）在進(jìn)行地鐵車站門框墻設(shè)計計算前，應(yīng)做好門框墻相關(guān)資料的準(zhǔn)備工作。主要包括門框墻參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)備、門框墻設(shè)計要求資料準(zhǔn)備、地鐵車站整體人防系統(tǒng)需求參數(shù)準(zhǔn)備等內(nèi)容。通過更多數(shù)據(jù)條件資料準(zhǔn)備，才能夠?qū)崿F(xiàn)人防門框墻計算的合理性，確保其門框墻設(shè)計應(yīng)用更加合理，也能夠提升其門框墻設(shè)計效果。

4 具體案例分析

本次項目為長春地鐵2 號線西延工程汽車公園車站建設(shè)項目，施工中對其人防建設(shè)進(jìn)行實際設(shè)計，其中也包括對人防門框墻進(jìn)行具體設(shè)計分析，以確保設(shè)計展開更加合理。并且在設(shè)計中，主要采用有限元設(shè)計方法對其進(jìn)行設(shè)計計算，通過有限元設(shè)計方法的設(shè)計計算應(yīng)用分析，確保其設(shè)計展開更加合理，提升其設(shè)計效果。本文對其有限元設(shè)計過程的有效分析。

4.1 準(zhǔn)備工作

在本次人防門框墻設(shè)計過程中，設(shè)計小組做好了各項設(shè)計準(zhǔn)備工作，以確保其設(shè)計準(zhǔn)備展開更加合理有效，提升其設(shè)計效果：（1）本次項目設(shè)計計算過程中，設(shè)計小組完成了對其主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)用，并且還需要對其設(shè)計進(jìn)行實際分析；（2）本次項目設(shè)計中完成了對有限元計算模型建立，且主要針對板殼單元、膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，確保其項目設(shè)計更加合理，提升各項設(shè)計的分析效果[1]。

4.2 模型具體設(shè)計應(yīng)用

1）在本次有限元模塊整體設(shè)計中，針對彈性薄板問題進(jìn)行了計算分析，且在其設(shè)計中，主要使用到微分方程進(jìn)行實際的計算，其方程為：

式中，ω 為在（x，y）坐標(biāo)處板在荷載方向位移；q 為在板面上作用單位面積荷載；D 為板抗彎剛度。

當(dāng)完成方程解，獲得ω 函數(shù)后結(jié)合幾何方程以及物理方程即可以確定板個點內(nèi)力以及變性情況。

另外，在本次項目有限元分析過程中，也使用有限元平衡方程組進(jìn)行實際設(shè)計，以確保其設(shè)計展開更加有效，提升其設(shè)計效果。如在實際項目設(shè)計中，應(yīng)用平衡方程組kδ=R 進(jìn)行設(shè)計。式中，k 為結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣；δ 為各節(jié)點位移列矩陣；R為節(jié)點荷載列矩陣。在實際平衡公式計算過程中，其k、δ、R 的有限元分析效果，確保有限元分析展開更加合理。在設(shè)計分析中主要選擇應(yīng)用SAP84 結(jié)構(gòu)通用分析程序進(jìn)行項目設(shè)計分析，確保項目設(shè)計應(yīng)用更加合理。

2）針對板殼單元進(jìn)行設(shè)計分析。在本次有限元模型設(shè)計分析中，其主要的板殼單元設(shè)計為非協(xié)調(diào)單元設(shè)計，包括4 個節(jié)點。同時，在計算分析中每個節(jié)點又分別包括膜自由度及板自由度，不同的自由度組成對不同的膜技術(shù)應(yīng)用有非常重要的作用。其中，不同的自由度數(shù)量均為3 個，模型設(shè)計中每個單元的自由度為24 個。通過自由度和板殼單元的整體設(shè)計應(yīng)用，確保其項目整體設(shè)計應(yīng)用更加合理，最大限度地提升單元設(shè)計效果。在有限元模型設(shè)計中，采用板殼單元自由度設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的自由度設(shè)計分析。在其設(shè)計應(yīng)用中，也具有一定的優(yōu)勢，在有限元分析中可以不受到其他條件約束，實現(xiàn)良好的密閉控制，確保其板殼單元設(shè)計應(yīng)用更加合理，提升設(shè)計效果。同時，在板殼單元設(shè)計中需要對防護(hù)密閉門框墻進(jìn)行設(shè)計，在綜合設(shè)計中，將其線性荷載分析為洞口暗梁的整體設(shè)計，確保其設(shè)計展開更加合理，提升整體有限元設(shè)計分析效果，提升設(shè)計質(zhì)量[2]。

4.3 門洞角部的應(yīng)力分析

在傳統(tǒng)人防門框墻設(shè)計分析過程中，使用規(guī)范方法進(jìn)行門洞角部的整體設(shè)計，并且在實際設(shè)計展開中，要求完成門洞角部的應(yīng)力設(shè)計。所以，在本次人防門設(shè)計中，要求對門洞角部進(jìn)行綜合應(yīng)力設(shè)計，主要采用有限元進(jìn)行門框墻墻洞加筋設(shè)計。其中，厚度為300 mm、500 mm 以及800 mm 的墻，其配筋各有不同。（1）門框墻厚度300 mm 時、側(cè)墻和上擋墻的懸挑長度最大值小于100 mm、采用3φ18 mm 配筋。門框墻厚度300 mm 時、側(cè)墻和上擋墻的懸挑長度最大值1000～1500 mm、采用3φ22 mm 配筋。門框墻厚度300mm 時、側(cè)墻和上擋墻的懸挑長度最大值1500～2000 mm、采用3φ25 mm 配筋。（2）門框墻厚度500 mm 時、側(cè)墻和上擋墻的懸挑長度最大值小于100 mm、采用4φ18 mm 配筋。門框墻厚度500 mm 時、側(cè)墻和上擋墻的懸挑長度最大值1000～1500 mm、采用4φ22 mm 配筋。門框墻厚度500 mm 時、側(cè)墻和上擋墻的懸挑長度最大值1500～2000 mm、采用4φ22 mm 配筋。（3）門框墻厚度800 mm 時、側(cè)墻和上擋墻的懸挑長度最大值小于100 mm、采用6φ18 mm配筋。門框墻厚度800 mm 時、側(cè)墻和上擋墻的懸挑長度最大值1000～1500 mm、采用6φ22 mm 配筋。門框墻厚800 mm 時、側(cè)墻和上擋墻的懸挑長度最大值1500～2000 mm、 采用6φ22 mm 配筋。通過實際的分析設(shè)計，確保門洞角部的應(yīng)力達(dá)到合理的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，確保其設(shè)計展開更加有效[3]。

4.4 風(fēng)道處防護(hù)密閉門門框墻設(shè)計

在實際地鐵設(shè)計過程中，風(fēng)道處密閉門門框墻設(shè)計非常關(guān)鍵，在風(fēng)道處進(jìn)行有限元設(shè)計中，其風(fēng)道位置需要架設(shè)風(fēng)管，做好對其整體的設(shè)計應(yīng)用，確保設(shè)計應(yīng)用更加合理。在針對風(fēng)道處風(fēng)管問題進(jìn)行設(shè)計時發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)設(shè)計不符合使用需求對風(fēng)道設(shè)計造成了嚴(yán)重影響。所以，在實際設(shè)計展開中，本次項目利用有限元設(shè)計方法，完成了對其風(fēng)道處防護(hù)密閉門門框墻整體模型設(shè)計分析，確保模型設(shè)計分析更加合理，最大限度地提升設(shè)計效果。在其門框墻整體設(shè)計中，還需要對其經(jīng)驗公式Q=Q1+Q2+Qeb、MX=QI2（h/300）/8 進(jìn)行應(yīng)用。式中，Q 為等效靜荷載；MX為梁GL 的端部彎矩，kN·m；Q1為由門扇傳來的等效靜荷載設(shè)計值；Q2為由封堵鋼板傳來的等效靜荷載設(shè)計值；Qe為作用于墻面的等效均布靜荷載設(shè)計值；b 為梁GL 的寬度；h 為梁GL 的高度；I 為整片門框墻的寬度。

在實際公式計算過程中，通過有限元軟件的設(shè)計應(yīng)用，能夠最大限度地提升風(fēng)道處有限元設(shè)計效果，對于有限元軟件模塊的整體設(shè)計應(yīng)用也有非常重要的作用，一定程度上也關(guān)系到整體設(shè)計質(zhì)量[4]。

有限元軟件在實際設(shè)計分析中，主要根據(jù)其項目各項參數(shù)以及項目整體設(shè)計，確保其設(shè)計應(yīng)用展開更加合理，也能夠最大限度地提升項目設(shè)計效果[5]。

5 結(jié)語

本文以長春地鐵2 號線西延工程為例，闡述了地鐵人防門框墻設(shè)計中有限元軟件的具體應(yīng)用，主要包括完成模型設(shè)計、角洞部設(shè)計分析等多方面設(shè)計內(nèi)容，確保其設(shè)計展開更加合理，提升其設(shè)計應(yīng)用效果。在規(guī)范給定的等效靜載下，對于地鐵車站人防工程的防護(hù)密閉門門框墻進(jìn)行整體有限元計算，更符合實際受力情況，配筋結(jié)果也更經(jīng)濟(jì)節(jié)約。結(jié)合不同案例計算最終編制出地鐵人防段人防配筋通用圖。