地铁车站结构的受力特性有限元分析

地铁车站结构的受力特性有限元分析

惠弘煜马耀仁

中铁隧道勘测设计院有限公司天津300133

摘要：地铁车站的结构设计一般采用计算模型对地铁施工进行设计，对地铁车站结构中的空间受力进行分析。本文结合某工程实例，对地铁车站结构的受力特性进行分析，选取结构空间实际受力计算，对地铁车站结构的受力特性进行模拟，控制准永久组合与基本组合对于地铁车站结构的受力设计，计算地铁车站在风道接口位置的优化结构，保障地铁车站结构的受力安全。

关键词：地铁车站结构；受力特性；有限元分析

地铁车站结构设计一般采用平面框架来进行模型计算。将地铁车站的标准段与长宽比为定值，通过单向板导荷的方式对地铁结构的实际受力情况进行计算，对区域结构的构建内力计算偏大，不能对地铁的实际受力情况进行准确的反应，在经济计算中不合理[1]。在地铁车站的扩大端区域的受力分布情况未能充分考虑，导致车站内力的计算值比实际偏小，地铁车站在结构的分布中不合理，不能保障地铁车站的可靠性与合理性。对地铁车站结构的受力特性进行有限元分析，利用有限元分析软件创建模型，并进行计算，保障地铁车站结构受力平衡。

1.地铁车站结构的受力特性与计算模型

1.1地铁车站结构的受力特性

地铁车站结构的受力特性主要是地铁车站的结构与结构构件及土体之间的共同作用下的一个空间结构体系，其荷载的种类较多，边界条件复杂。其中车站结构的水平荷载作用是根据车站结构的顶点与底板平面的刚度平衡，顶板的承受竖向和在理是通过侧墙或纵梁传递到柱与底板[2]。车站结构主要是由上部钢结构站台与混凝土的主体结构所构成，由于地铁车站结构主要为地下明挖浅埋结构，其岩土体的荷载力比较明确，但是车站结构与土体之间的共同作用较差，所以采用荷载的结构模型进行地铁车站结构的模型设计。

1.2地铁车站结构的计算模型

地铁车站结构的计算模型主要是根据车站结构的边界条件与车站的主体结构与围护结构来进行有限元模型设计。其中地铁车站结构的边界条件主要是根据岩土层的弹性地基刚度来进行设计，通过空间三维分析软件与有限元软件进行共同设计计算，边界条件的弹性支撑设为X轴，Y轴，Z轴的三维空间，根据这三个方向的刚度条件在地铁车站结构的边界处增加柱长，一般弹性支撑的梁单元进行同等间距的设计，将土体的弹性约束进行模拟设计，将X轴方向与Y轴方向的平动与转动刚度根据等效原则进行设计，并且根据地基反力系数与节点的乘积得到有效面积[3]。车站结构模型设计是根据车站结构的中底板与侧墙部分进行单元的模拟设计，连续墙体的结构部分不给予考虑，在侧墙与连续墙浇筑完成后成为一个统一的受力体系，采用共同接触的方式。将车站结构的各个层板之间纵梁与中柱视为同一个节点对车站结构的变形作用进行考虑和反映。在设计中采用平面框架的设计模型进行计算，对于边界条件的简化需要考虑墙板在荷载力作用下的变化幅度，及底层的分布变化情况等，对于梁柱结构的模型计算分析需要按照框架计算模型将结构内力作用下的板平面刚度进行割裂，地铁车站结构的受力特性具有复杂性，为满足车站结构的精确性与稳定性需要采取综合的框架计算模型。

2.地铁车站空间结构模型

地铁车站的空间结构模型建立需要考虑三个主要问题：即材料与截面尺寸，荷载工况及有限元的单元选取，根据这三个方面来建立空间模型，并对其计算结构进行分析。本文以某地铁车站工程为例，该地铁车站结构为高架侧式地铁车站，按照其功能需求进行设计，车站局部进行夹层设计，车站结构的顶部设置钢结构。侧式两边的站台宽度为3.5m。地面层设为地铁车站的出入口，而车站设备及管理设在二层，站台层设置在三层。高架车站在平面上呈现“一”字形分布，长度为136m，宽度为24m，车站站台的主体结构为钢筋混凝土的框架结构，站台层及站厅层采用钢筋混凝土浇筑。轨道梁采用现浇矩形梁的结构形式，其中主体部分的建筑面积约为5000m2，车站站台中心的轨道面与地面高度相差约20m。高架车站采用的是建桥合一的架构形式，在单排设置墩柱，间距为16m，双层位置设置悬挑盖梁，长度约为10m，在车站纵向位置形成钢筋混凝土的连续梁。车站主体的结构剖面图如下图1所示：

2.1地铁车站结构的空间模型建立

根据图1所示的某一地铁车站工程为例，建立地铁车站而机构的空间模型，借助有限元软件进行分析，将该地铁高架车站分为上下两部分，其中上部分是由混凝土的主体结构组成，而下部是由钢结构站台雨蓬组成。在建模中将下部主体的梁结构与主结构采用三维空间模型建立，考量车站的受力变形及荷载工况。车站结构的空间模型建立中首先需要考虑的因素是材料与截面的尺寸，由于车站结构的建立需要具有一定的强度与耐久性，因此在选择材料的时候需要采用中柱混凝土材料。截面的尺寸选择主要有柱截面的尺寸，顶纵梁截面的尺寸，中纵梁截面的尺寸与底纵梁截面的尺寸，其中柱截面的尺寸主要选取范围为600*1000或800*1000（mm）；顶纵梁截面的尺寸范围为1000*1800或1200*1800（mm）；中纵梁的截面尺寸范围为800*1000或900*1000（mm）；底纵梁的截面尺寸范围为1000*2100或1200*2100（mm）[4]。地铁车站结构的荷载工况主要是从顶板荷载，中板荷载与底板荷载，及侧墙荷载四个方面来考虑。其荷载力的范围主要根据施工实际情况的计算结构进行设计，在标准范围内实施，从而满足地铁车站结构的荷载力要求。有限元的单元选取主要是对地铁车站结构的三维空间结构模型进行设计和分析，其中三维空间结构的有限元分析主要是对地铁车站的框架单元，壳单元与边界条件来进行综合分析[5]。其中框架单元的模型设计主要是针对地铁车站结构的梁、柱来模拟。框架单元的节点主要沿着X轴，Y轴，Z轴这三个方向进行线性位移和旋转位移，框架单元上的荷载力作用主要集中在温度荷载力，分布荷载力与集中荷载力的要求进行结构的计算。壳单元主要是对地铁车站结构的墙体和板面进行模拟，这种方法是一种力学行为，根据承受面内的荷载力与承受垂直中面法向荷载力建立模型，壳单元可以分为厚壳单元与薄壳单元两种单元形式，具有一定的抗拉，抗压与抗剪刚度，两种不同的壳单元源自于不同的单元理论，其中厚壳单元主要是对顶板与底板及侧墙进行单元模拟分析，而薄壳单元主要是对中板模拟设计[6]。而边界条件的作用是车站结构的地基与底板之间的进行地弹簧的模拟计算，对车站的围护结构与主体，车站地基进行共同作用。边界条件的常用方法是对地铁车站的侧墙与状结构的共同作用进行综合考虑，但在地基基坑的开挖过程中其围护结构的受力情况比较不稳定，围护结构超出正常的极限容许值，导致其耐久性较差。而地铁车站结构的侧墙与围护结构之间的关系主要是采用缝单元来进行模拟实验，缝单元的刚度具有无限大的特点，因此忽略了侧墙与围护结构之间所敷设的防水层，与实际情况不符合。

2.2地铁车站结构空间模型结果分析

地铁车站空间结构的模型设计是对地下车站的荷载力起着控制性的作用，对地震作用或人防荷载力的作用进行控制，防止因地震或人防荷载对地铁车站的地下岩土层导致变形，具有相对控制作用。在地铁车站结构的设计中，材料与材料强度的乘积对综合系数进行调整，根据不同的材料强度进行基本组和或准永久组和的设计[7]。地铁车站结构的墙板节点部分是受

力条件较差的区域，对车站的墙体开洞部分及楼扶梯的洞口部分进行集中分布，在地铁的扩大端与风道的接口处其变形最大，由于侧墙的风道断面增大了风道的梁跨度，削减了梁柱的竖向刚度。墙板构建主要采用厚壳单元的设计模型，将墙面的内部刚度与外部刚度进行真实反映，通过墙体内部的刚度传递到竖向的墙体构建，有利于真实反映车站结构的整体受力。

结语：

综上所述，通过对地铁车站结构的受力特性进行有限元分析发现，明挖式地铁车站设计的有限元分析采用三维空间建立模型，反映出车站结构的实际受力情况。其准永久组和与基本组合对地铁车站结构的设计起着控制作用，但对于地震作用下与人防荷载作用的控制力度仍较小。在地铁车站结构的设计中，应合理布置车站和风道结构处的柱距，将局部区域的单元进行细分，对板墙节点与板柱节点的受力情况进行精确分析，满足其施工的规范要求。

参考文献：

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