地铁箱形结构计算

地铁箱形结构计算浅析周小华铁道第四勘察设计院轨道院武昌430063【摘要】本文通过对地铁车站箱形结构的平面计算方法、空间计算方法的分析，提出了有关箱形结构计算的若干看法。【关键词】箱形结构空间计算弯矩分配在城市地铁车站的结构设计中，明挖或盖挖主体结构由于受到周边环境、建筑布置、投资等多种环境的制约，其型式比较类似，基本上采用矩形箱体结构,如下图所示。具体又可设计为单层多跨、双层双跨、双层多跨等箱形结构。该种结构的计算方法有平面计算方法和空间计算方法两种。图110m站台地铁箱形结构平面图图210m站台地铁箱形结构剖面图平面计算方法在现行的地铁设计中，一般对该箱形结构采用平面框架来进行计算。计算采用等代框架法，即取纵向柱跨范围内的各层梁板、侧墙与立柱组合为平面框架，忽略纵梁作用。在求出各等代构件的内力后，由于纵梁对板的支承能力在纵向不一致，还应参照板柱体系的规定，划分柱上板带和跨中板带，将等代框架的计算弯矩以板带分配系数进行分配，以确定各板带的内力，从而对构件进行截面设计。这种计算方法虽然得到了广泛的应用，但它的问题在于：将纵梁和板、柱分离开来另行计算，使得整个结构的变形协调条件不能得到满足，导致板、纵梁内力与实际不符；而且考虑弯矩分配系数时，由于边界条件不同，不能照搬无梁板柱结构，具体数值难以确定。这个缺陷实际上是由于在计算时忽略了纵梁的作用引起的，而平面的计算方法无法考虑纵梁的作用，因此有必要采取空间计算方法。空间计算方法2.1空间分析的计算模式空间计算同样采用线弹性分析的有限元数值法求解，假设结构材料完全匀质，应用各向同性本构模型，在确定的荷载（作用）状况下，结构分析得到唯一解。我们采用SAP84结构分析通用程序对上图所示箱形结构进行了空间分析，其计算模型与假定如下：将板、墙细分为板壳单元，纵梁、立柱为框架单元，每个节点均有6个自由度；梁、板在纵向模型边缘按竖向滑动支座模拟；土体对底板的作用采用受压弹簧模拟；荷载采用面荷载的形式输入；毅纵向截篮取早5哈跨作为计算分吗析范围。剩2.2喷计算过程与成忘果分析河根据上述原则态与假定，我们蓬采用地铁常用夏的几种柱距（赴6机m~10m世）途，轿选用不同的梁诱、板截面进行花了分析，并根汪据通用作法，呢在纵向上将柱撒两侧怎各昼1/堪4厅跨范围作为柱蝶上板带，剩价余架1/植2鸽跨作为跨中板恶带得出了若干希统计表，下面眯试对各表小(菠三层板规律相吴似，仅列出顶抹板症)极进行分析：味1)伞板梁线刚度对称弯矩分配系数掠的影响限彼枯论木弯矩分配系数特与梁板线刚度硬关系防表断叨颈择催句表熟1阅梁板线刚度沫比梨β专10颂15号20反35烟50窝110弱墙端弯矩分配宿系数碑0.5/0.少5励0.5/0.育5钻0.5/0.吼5蚕0.5/0.佛5亩0.5/0.按5鼻0.5/0.弦5慨跨中弯矩分配睛系数贡0.5/0.骨5昆0.5/0.疼5膏0.塘51宫/0.伍49晴0.5/0.耗5阶0.5/0.恳5教0.5/0.遵5虽柱端弯矩分配仓系数小0.65/0秀.35鸽0.60/0慢.40腿0.57/0充.43意0.55/0冷.45朴0.53/0弦.47甘0.52/0胞.48鉴注佩:1往。盘β桑=位i蜂L徐/i值B斜，代口i养B绍：构单位宽度板的畏线刚度。借2罢．弯矩分配系故数中，前为柱喝上板带分配系弱数，后为跨中厨板带分配系数垦。龄驻坛蹈弯矩分配系数漂与纵向柱跨关斤系子锈斩钞如表哭2汗搅虾忧柱牙距筝河项碰目此启L=6m坛β堆=27堡L=7m忌β兰=23钳L=8m火β匪=20资L=9m庭β获=18衫L=王10潜m同β辫=16涌柱端弯矩毙柱上板带熔0.54豪0.5混5止0.5匹7矛0.硬60讽0.待6洞3孟跨中板带棋0.46闭0.4窃5躺0.4石3够0.抱40缠0.37呈注：表列数据近均为伪图代2吧断面计算结果去。可以看出:贷墙端、跨中处带，板上弯矩并位不呈现板带划虽分；得当梁板线刚度睡比小嘴于莫5棍0法时，柱端负弯虹矩有比较明显盖的板带划分；泽两者线刚度比艇越小，板带的刃间的受力区别泳愈明显；晌柱端弯矩随着榨梁板线刚度比添的减小，向柱亲上板带转移，垃而且转移速度湖越来越快。冻2.3谱纵向弯矩的考获虑拌由于采用平面阁框架计算无法畜获得纵向内力搭，现行地铁结询构设计时在考顷虑混凝土收缩灌、徐变，温度要应力后，提出狼纵向配筋率不观宜小于浇0.4%(蚕双面况)夜，仅在如下几逆种情况下方考战虑进行空间计暂算：穴1)行覆土厚度沿车枣站纵向有较大器变化时；绑2)油车站结构上部息直接有建筑物柱或重要构筑物候时；劲3)胖车站底板座落忧地层有显著差残异时。染而根据空间计脖算结果，我们怒发现一般断面剃情况在一定情蠢况下也需考虑井纵向内力问题的。表椒3叉、动4宁、驴5猪（仅示出顶板慧）即显示在不投同柱距情况下狭箱体纵向内力推是有较大区别罩的。杏筹辩营妇黎狭柱端断面纵向尊弯矩统计湾表平泻义拥帝走表文3归位置配柱距陪柱上眉离貌柱钩1/委8坡跨处爹离矩柱鄙2/久8嫂跨处罗离宰柱裹3/祝8炸跨处插离蹈柱友4/庆8海跨处半最大配筋率胳L=6侨m蓬-164.5午-116.3析-26.3韵29.8巴46.2乎0.2%来L=8伸m恭-250.9小-160.3位-6.1诚79.5络104.2宪0.25%丽L=它10m岔-345.2闻-204.0逢23.2常142.1遗178.0帐0.34%诱跨中断面纵向伏弯矩统计快表坝粘疏舅烫害表用4嚼位置吼柱距泼柱上斥离置柱陡1/屑8鸭跨处胳离剪柱震2/盐8惩跨处敬离醋柱瞒3/抄8腾跨处谁离举柱樱4/朋8苏跨处围最大配筋率民L=6幅m左107.8掌105.1敏104.3困104.5是104.6陵0.2%钳L=焰8m什89.3兄91.1咬99.0栏106.9居109.9患0.2%骨L=呢10m汤65.0萍74.5耐99.3循123.7摘133.7坝0.2%纯墙端断面纵向破弯矩统计杆表营敞临威造蛮表悼5井位置表柱距盐柱上柏离忌柱泼1/眨8鼓跨处思离绘柱跑2/行8桃跨处这离鸟柱捏3/依8叫跨处削离再柱瑞4/无8嘉跨处香最大配筋率帝L=6昌m支-74.8面-74.9虏-74.8赞-74.7棒-74.8懒0.2%勤L=奸8m裁-74.9闹-74.9绣-74.8倒-74.8好-74.7询0.2%档L=阻10m窄-83抹.信5想-83.3苏-82.9饮-82.5司-82.4借0.2%饥注：谈1.勇单位：铺kN*m黑2.招上需述三表所列数虫据均为赌图滥2永断面计算结果虫。群可以看出，板殖纵向受力也极秒有规律：恢在纵梁附近始，挽受纵梁影响，服该处板的纵向砖受力类似于搁胆在柱上的连续会梁，柱端为负什弯矩，跨中为刮正弯矩，而且声绝对值较大。串在纵向柱距不宵小于鸦8m自时，其杜控制截面的配蠢筋率已突奉破勒0.2窗%源；睛释在跨中，板的茅纵向弯矩不变趟号，均为下部坟正弯矩，而且歼随着柱距的增吐加弯矩向中部怖转移窜，竟0.2粒%盈的配筋率可以臂满足要求；捐在墙端，纵向纲为负弯矩，且况极其稳定突，填0.2韵%党的配筋率可以勇满足要求。城2.4羽空间计算与平饱面计算的差异余经过上述分析尼，我们对该类裳箱形结构的空润间受力的分布卵规律已有了初挡步的了解，那筑么空间计算和炒平面计算在结蔑果上是否吻合笼呢？我们采用足平面框架计算算软件四（索PMCB哑C霉）对主图卖2锤断面知（鸣L=8榨m宗）进行了计算酬，并按怖表磨2绵所列的分配系洪数进行了处理舅，其结果如下煌：踢皆图骨3船铺柱上板带弯矩翅图寇除（做kN*m安/4研m衫）剃昌就图舟4浙纲跨中板带弯矩魂图谣台（雁kN*m/4虫m搞）泽空间解和平面世解在墙端、跨厘中内力较为接茂近。而在柱端破顶、底板处的垂空间献解忽/温平面解的比值球分别和为语62努%苗及塞75盘%彩，吻合得较差躬。究其原因，谱I贷：因为计算模灯式的原因，平腾面和空间解析冬的原理不一样裳，平面解无法熔计算板的纵向伪受力状态兰；兵I劫I瓜：由于平面解坑不能满足结构须的变形协调关递系，尤其是在妙纵梁支承点处撕的位移协调关隆系，不能正确眯的模拟梁对板拐的支承作用，偿虽然人为的进咳行了内力调整避，仍有较大差彩异。秩在实际设计中携，按平面计算壁结果进行截面顿设计虽与结构乐的实际受力不穿符，但是结构贴在达到承载能觉力极限状态之末前，总要发生乖程度不等的塑素性内力重分布厦，最终的内力凉分布主要取决钟于各构件（截科面）配筋和极拌限弯矩阵值，舰平面计算方法慰利用了结构的蝶这一特性，结堤果是安全、可报用的。3．结论思地铁箱形结构匹由于纵梁的设柳置，致使板内贼弯矩的分布规捆律发生了较大盗变化，本次分郊析仅限于双层游双跨箱体结构伯，窃我们可以得出夸关于这种结构它的一些有益的灌结论：铺纵梁的设置改蛋善了板的受力袍状况，当梁、屡板线刚度比大泳于剂5市0浴时，结构板的鞠受力条件较好猪，较均匀，接稿近于单向板。匆当梁板线刚度怎比小凯于限5释0案时，结构板的芽双向受力特征蛙较强。柱端弯抄矩宜进行板带骂划分；在柱距竟较大段（然>8侨m肆）时还需考虑博板的纵向受力驳要求；训采用等代框架充法对箱形结构扔进行设计，是寄可行的。旋我院在结构型芬式相对简单的仰地铁出入口结巧构设计中开始廊使用了空间计描算方法，取得筝了不错的效果雕。但由于其分督析手段较为繁占复，限制了其嘉在复杂的主体夫结构中的应用鞠。平面框架计适算法因为不能杏满足变形协调苹方程，只能说轮是一种近似的茄计算方