地铁车站围护结构对主体结构内力与位移的影响研究

王志杰，何晟亚，袁 晔

(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

地铁车站围护结构对主体结构内力与位移的影响研究

王志杰，何晟亚，袁 晔

(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

为提高地铁车站的安全性，利用数值模拟软件研究了围护结构对地铁车站主体结构内力与位移的影响。通过ANSYS建立有、无围护结构两种情况下的荷载结构模型，并采用相同的荷载组合进行数值模拟，得到两种情况下的内力和位移情况，并对两种情况进行对比。研究结果表明:在主要考虑内力的情况下，采用无围护结构的主体结构进行建模较为合理;而在主要考虑位移的情况下，采用有围护结构的主体结构进行模拟比较贴近实际。无围护结构的主体结构模型与有围护结构的相比较，其内力偏大，但具有安全储备，且侧墙的位移会偏小。在实际工程设计中应根据考虑的主要对象选择适当的模型。

围护结构 车站主体结构 数值模拟 内力 位移

现在对于地铁车站主体结构设计，采用的基本上都是荷载结构模型，其中大致可以分为两类，一种是仅主体结构受力而围护结构不受力，另一种则是主体结构与围护结构共同受力，即将围护结构当作主体结构的一部分。对于第一种情况，则是一般情况下设计院所采用的方法。这样可以直接将所有荷载分别作用于主体结构的顶板、中板、底板以及侧墙上，即假设围护结构不受外力作用。而第二种情况，则是将垂直荷载分别直接作用于顶板、中板和底板，但是水平荷载并没有直接作用于侧墙，而是作用于围护结构上，即假设侧墙并非直接受到水平荷载作用，而是由围护结构直接受到其作用。另外根据选择围护结构的类型，第二种情况的模型，其围护结构利用混凝土进行模拟。这两种不同的荷载结构模型计算结果存在差异，而这种差异在实际工程设计中加以利用，便于不同情况下选择不同的模型进行主体结构内力和位移的计算，使设计偏于安全。

1 工程背景

某地铁车站位于全风化岩石之上，整体结构大多处于黏土地层中。其车站主体结构为双层等跨单柱形式。由于此处环境允许，并且处于软土地带，所以采用明挖法施工，但是该地区位于沿海区域，其地下为软土层，需要修建围护结构。针对此问题，需要进行相关的主体结构的计算。主体结构中板、梁和侧墙均采用C40普通混凝土，中柱采用C50混凝土;围护结构采用φ1000 mm的钻孔桩加桩间止水帷幕，其混凝土等级为C30。车站主体结构的顶板埋深为3.58 m，底板埋深为16.37 m。主体结构每跨为9.15 m，负一层高度为5.10 m，负二层高度为6.69 m。具体的土层参数，见表1，设计横断面见图1。

表1 土层参数

图1 地铁车站设计横断面(单位:mm)

2 荷载组合计算

基本荷载组合与标准荷载组合是地铁车站主体结构荷载计算中的常规荷载组合方式。而本文主要讨论围护结构对主体结构的影响，所以仅需考虑一种荷载组合即可，故选取基本荷载组合。根据《工程结构可靠性设计统一标准》的规定进行相应的计算。其中基本荷载组合的计算公式为

式中:SGik为第i个永久作用标准值的效应;SP为预应力作用有关代表值的效应;SQ1k为第1个可变作用(主导可变作用)标准值的效应;SQjk为第j个可变作用标准值的效应;γGi为第 i个永久作用的分项系数;γP为预应力作用的分项系数;γQ1为第1个可变作用(主导可变作用)的分项系数;γL1，γLj为第1个和第j个考虑结构设计使用年限的荷载调整系数，对设计使用年限与设计基准期相同的结构，应取γL=1，房屋建筑的设计使用年限为100年时应取该系数为1.1。γQj为第j个可变作用的分项系数;为第j个可变作用的组合值系数。围护结构及主体结构荷载计算图见图2。

图2 围护结构及主体结构荷载

为了保持单一变量，所以两个模型采用的荷载组合的大小均相同。但是在没有围护结构的车站主体模型中，侧向土压力和超载引起的侧向土压力均没有计算到围护层底部，而是计算到主体结构的底部。

由以上公式可以计算出无围护结构的主体结构基本荷载组合，见表2。而有围护结构的主体结构基本荷载组合，见表3。

表2 无围护结构的主体结构基本荷载组合和标准荷载组合 kPa

表3 有围护结构的主体结构基本荷载组合和标准荷载组合 kPa

3 数值模拟分析

3.1 ANSYS数值模型

本车站主体结构以及围护结构的模型，均采用ANSYS进行数值模拟。对于侧墙、底板和围护结构均利用弹簧来代替与主体结构接触的土体的地基反力。为了实际工程与理论相吻合，在有围护结构的模型中，顶板的两端加上竖向约束，围护结构的底部加上竖向和水平约束。而对于无围护结构的模型，则是在中柱的底部施加一个水平约束，防止其发生水平方向上的侧移。

3.2 结果分析

通过计算，得出了地铁车站在基本荷载组合情况下有围护结构的主体结构及无围护结构的主体结构主要部分内力。基本荷载组合情况下的弯矩图、轴力图都是正对称图形，而剪力图为反对称图形，这个与理论相符。以此为前提，可以分析有无围护结构的主体结构内力与位移的对比。

4 结语

通过ANSYS的数值模拟分析可以得到有围护结构以及无围护结构的主体结构的弯矩值、剪力值和轴力值。通过内力值数据的对比可以得到以下结论:

1)两种模型的最大内力值出现的位置都是一一对应的，没有因为围护结构而发生改变。

2)有围护结构的车站主体结构，其围护结构也承受了一部分的荷载，所以围护结构也产生了相应的位移和内力。

3)有围护结构的主体结构，其围护结构所产生的弯矩和剪力相对于同一模型下的主体结构的弯矩和剪力小了0.96倍，在工程中可以忽略不计，但是围护结构的轴力最大值与主体结构轴力的最大值相近。

4)中板、底板以及侧墙的端部与中部的弯矩值比较，在有围护结构的模型中相差特别大，其相差最小为0.61倍，最大为2倍;而在无围护结构的模型中，其相差最小为0.25倍，最大为16倍。

5)在基本荷载组合下，无围护结构模型与有围护结构模型相比较，弯矩大了89%，剪力大了131%，轴力大了112%。

6)有围护结构模型的侧墙位移与无围护结构模型相比，小了8.3%。

综上所述，在两种不同的假设情况下，采用围护结构与主体结构协同受力的模型，其内力值偏小，同一构件不同位置的内力相差小，安全性偏低，无法真实地表现出工程中主体结构所受到的内力。而对于无围护结构协同受力的主体结构，其内力值虽然偏大，但偏保守、安全性较高，具有一定的安全储备。在实际工程中，由主体结构直接承受所有荷载，是较为理想的内力计算模型。两者的位移相比较之下，有围护结构的侧墙位移较大，这是因为考虑到了实际工程中围护结构与主体结构间存在防水层和缝隙，没有完全粘合，外部荷载先作用于围护结构，再作用于侧墙。所以在主要考虑结构位移的时候，可以选择围护结构与主体结构协同受力的模型;而在主要考虑结构内力的时候，则需要选择无围护结构的模型。

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Study on influence of metro station(foundation pit)enclosure structure on force and displacement of station structure

WANG Zhijie，HE Shengya，YUAN Ye

(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

In order to improve the safety of the metro station，the influence of enclosure structure on the internal forces and displacements of the metro station main structure was studied by using the numerical simulation software．The load-structure model for each case which has enclosure structure or has not was established by carrying out numerical simulation with the same load combination by ANSYS．The internal forces and displacements of both cases were obtained and compared．The results showed that the main structure without enclosure should be used to model by considering the internal forces primarily，the main structure with enclosure is more reasonable in case of thinking about the displacements primarily，the internal forces of the main structure model without enclosure is larger than structure with enclosure，which has safety reserve and the small displacement of sidewall． In the actual engineering design，appropriate models should be chosen according to the main object that is considered．

Enclosure structure;The main structure of the metro station;Numerical simulation;Internal forces;Displacements

U231+．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．19

1003-1995(2015)07-0065-03

2014-05-27;

2015-03-20

中央高校基本科研业务费专项资金项目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964— )，男，山西万荣人，教授。

(责任审编 赵其文)