无柱拱形车站中板结构受力特性数值分析★

马 建 民

(上海轨道交通15号线发展有限公司，上海 200000)

0 引言

在当今城市急速发展的时代，地下空间开发显示出独特的优越性，其中城市地铁交通系统起着举足轻重的作用。随着地铁运营里程的不断增加，对车站的便捷性、舒适性、美观性提出了更高的要求。现代地铁车站将以大空间、大跨度、注重功能安全和舒适实用为发展方向。为了提高地下空间利用率，提升乘客体验，无柱车站方案被提出[1-3]。

不少学者针对无柱地下车站开展了研究，孙俊利[4]以北京车公庄站设计为例，通过结构计算、工程类比等辅助手段，确定大跨单拱无柱的设计方案；张世荣[5]以南宁富水圆砾地层为工程背景，通过试验研究与数值模拟研究无柱大跨地铁车站结构方案的优化与耐久性；钟波波等[6]通过数值模拟研究了典型无柱地铁车站在地震作用下的动力响应。

无柱大跨地下车站建设的难点在于其新型的结构形式的受力特性尚不明确，另外，需采取特殊的结构工法以保证施工的顺利进行[7,8]。无柱大跨地铁车站站厅层，即中板结构的受力特性与常规车站中板结构具有较大差异，开展相关研究具有重要意义。本文将以上海地铁15号线吴中路站大跨度无柱车站为背景，以数值模拟为研究手段，研究其中板结构在复杂工况下的受力特性。

1 工程概况

15号线吴中路站位于徐汇区桂林路下方，沿桂林路南北向布置。车站主体结构西侧为上海市自来水市南有限公司泵站管理所，东侧为申通集团，车站南侧有两座110 kV高压铁塔。根据区域地质资料，场地属稳定场地，地势平坦，地基软土基本上成层分布，未跨越不同地貌单元或地质单元，场地地基稳定。

吴中路车站主体结构截面如图1所示，地下1层为站厅层，地下2层为站台层。车站中心里程SK21+533.921，主体规模170 m×(19.8 m～24.4 m)(内径)，站台中心处顶板覆土约4.1 m，底板埋深约19.5 m，站中心轨面标高为-13.053 m。

吴中路无柱大跨地铁车站采用拱形顶板设计，顶板大跨拱结构在上覆土作用下产生的水平推力通过侧墙传递，而水土侧压力不足以平衡该水平推力，从而造成中板受拉。车站主体施工完成后，恢复道路进行附属施工。顶板拱结构在附属基坑开挖过程中内力重分布，拱脚变形，从而产生附加水平推力，通过地连墙传递，最终由中板平衡，中板的受拉进一步增加，中板—地连墙连接接头和中板甚至将处于拉弯受力。图2，图3分别为吴中路站中板结构、受拉中板—地连墙节点的结构与配筋简图。

2 数值模拟

2.1 本构模型

本文数值模拟采用大型有限元软件ABAQUS，混凝土为弹塑性损伤本构，等级为C35，其应力—应变关系曲线如图4和图5所示；钢筋为理想弹塑性本构，如图6所示；地下连续墙选用弹塑性本构，如图7所示。

2.2 中板结构与中板—地连墙节点模型

受拉中板的三维数值模型如图8所示，其中数值模型计算跨度取为1.0 m。荷载方面，考虑标准值和设计值两种工况，根据设计内力，中板轴力标准值为1 800 kN，中板上部均布活荷载标准值为10 kN/m，重力为10 N/kg。荷载设计值是由荷载标准值乘以1.1(结构重要性系数)，再乘以1.35(荷载分项系数)得到，即为标准值的1.485倍。

中板—地连墙节点的三维数值模型如图9所示，在荷载标准值作用下，中板上部均布活荷载为10 kN/m，地连墙在中板上方节点处弯矩M侧=2 544 kN·m，剪力F=1 413 kN，地连墙在中板下方节点处弯矩M侧=1 700 kN·m，剪力F=364 kN。将以上力分别按照力与力臂的加载原则，按照力臂长度与力大小，模拟节点处剪力与弯矩。

3 结果分析

3.1 受拉中板受力变形分析

由于荷载标准值和荷载设计值两种工况只有在具体的荷载值上有区别，两种工况计算下结构受力变形体现出来的规律是一致的，接下来以荷载标准值工况为例，介绍中板的受力变形情况。图10为中板结构混凝土部分的应力应变云图，中板混凝土整体受拉，仅两端下部与跨中上部局部受压，中板跨中附近下部与两端上部相比其他部位受力较大，其中中板两端与地连墙连接处上部受力最大，是最危险部位，需要加强。

图11为中板结构钢筋部分的应变云图，钢筋整体受力情况与混凝土基本一致，整体上受拉；上侧钢筋两端与下侧钢筋跨中受拉较大，角部钢筋受力相比纵筋较小。最大钢筋拉应力出现在上侧钢筋一端，荷载标准值、设计值作用下分别达到201.1 MPa，310.7 MPa，接近钢筋屈服强度，其余钢筋未达到屈服状态。

图12为受拉中板的整体变形云图，中板变形以竖向位移为主，跨中挠度最大，荷载标准值、设计值作用下受拉中板跨中截面挠度分别达到了41.0 mm，72.3 mm，分别占跨度23 m的1/560，1/318。

3.2 中板—地连墙节点受力变形分析

图13为中板—地连墙节点结构混凝土部分的应力应变云图，从图13可知，中板—地连墙节点结构受力特性与中板结构保持一致，上部与中板跨中附近下部混凝土与钢筋受拉较大，其中中板—地连墙节点上部受力最大，是最危险部位，需要加强。上部钢筋节点处拉应力最大，在荷载标准值、设计值作用下分别达到208 MPa,325 MPa。

图14为中板—地连墙节点的变形云图，中板—地连墙节点处变形非常小，几乎接近0，跨中位移最大，跨中挠度在荷载标准值、设计值作用下分别达到41.9 mm，71.6 mm。节点受力变形的数值结果与中板结构一致，互相验证。

4 结语

本文采用有限元软件ABAQUS建立了上海15号线吴中路站无柱大跨拱形车站受拉中板与中板—地连墙节点的三维数值模型，并开展了荷载标准值和设计值两种工况下的数值分析，主要结论如下：

1)受拉中板变形以竖向位移为主，跨中挠度达到最大值。在荷载设计值作用下中板跨中挠度可达72.3 mm，占跨度23 m的1/318。

2)中板结构混凝土部分整体受拉，仅两端下部与跨中上部局部受压，两端上部与跨中下部受拉应力较大，其中中板—地连墙节点上部拉应力最大，是最危险部位。

3)中板结构钢筋受力特性与混凝土基本一致，两端节点处上部钢筋拉应力较大，跨中下部钢筋应力较小，角筋应力最小；除了在荷载设计值作用下两端节点上部钢筋处应力(325 MPa)接近屈服应力，其余部位钢筋均未达到屈服状态，再次说明了中板—地连墙连接处上部受力最大，是最危险部位，需着重加强。