摘  要：利用有限元方法对某地铁项目进行结构分析，考虑土的侧向约束作用，通过分析侧壁、楼板与框架的共同作用，得出构件内力及整体位移，较真实地反应了结构的受力特点，为类似的工程设计提供参考。

关键词：侧向约束；整体位移；有限元分析

 

      某地铁车站项目位于珠江三角洲冲积平原，地形较为平坦，地面高程7.82m，地质构造相对较简单，基岩为白垩系沉积岩。本工程底板大部分置于强风化泥质粉砂岩层。

      车站外包总长192.5m，标准段宽20.7m，盾构设备进、出站区宽度为21.4m和23.05m。采用明挖法施工，要求车站有3m左右的覆土，站顶覆土2.8～3.2m，有效站台中心处轨面标高-6.82m，埋深约17.2m，基坑深约17.2m。车站站位在十字交叉口处，平面采用一端伸展式平面布局，为2层明挖地下结构。结合过街因素考虑，本站设4个出入口，呈风车状面向主要客流方向。

      本工程结构安全等级为一级，结构重要系数 γ₀=1.1，基础设计等级为甲级。所属地区抗震设防烈度为7度，Ⅱ类场地，人防抗力等级为六级，车站结构按设计使用年限100年的要求进行耐久性设计^［1］。本站长度范围内不设伸缩缝，设计考虑混凝土收缩及徐变影响，结构沿长度设置4道加强带。在刚度突变部位如出入口、风道、区间隧道结合部等部位设置变形缝。由于车站结构顶板覆土，站厅层中部布置了4台自动扶梯、2部楼梯和2部电梯，两端为设备、管理用房区，开洞较多，综合考虑建筑特性及结构合理性，采用纵向框架横向厚板结构。站厅层平面布置如图1所示。

      本工程为地下2层（局部3层）箱形框架结构体系，楼层分为底板、站台层、站厅层以及顶板共4层。结构沿地铁纵向设2条框架梁，除站厅层、站厅层局部由于扶梯及楼梯处开大洞设横向洞边梁外，其余部分横向不设梁，采用厚板形式。

      建筑平剖面布置（以站厅层为例截取长跨中段）如图2～3，可见楼层梁柱框架与楼板、侧壁形成箱形结构体系，结构整体性较好，底板作用在弹性地基上，考虑围护结构与主体结构侧壁共同抵抗水土体压力，计算时考虑构件的弯曲、剪切和压缩变形的影响。

      由于本结构为地下建筑，且洞口较多（结构纵向中部主要为扶梯及楼梯洞口，端部主要为设备洞口），采用厚板结构，考虑到结构形式的特殊性，为了更好地得到各构件在荷载作用下的整体工作性能，针对本项目通过有限元分析方法进行结构设计的补充。

 

      结构计算模式分别按施工阶段和使用阶段拟定，施工阶段的计算模拟施工全过程，并对施工阶段围护结构及基坑稳定性进行计算及分析；使用阶段作结构抗浮稳定性和沉降稳定性分析。

      结构设计按最不利情况进行抗浮验算，考虑围护结构的侧摩阻力，并在围护结构位于顶板标高位置设置压顶梁，抗浮安全系数不小于1.15。结构的设计水位按满水位进行验算。

      最大裂缝宽度允许值：车站结构背水面0.3mm；迎水面0.2mm。围护结构作为基坑支护结构时不验算裂缝宽度，作为与内衬墙的重合结构时最大裂缝宽度允许值背水面0.3mm，迎水面0.2mm。

 

      通过Ansys软件对结构进行有限元分析，梁板为C30混凝土，柱为C45，主要截面形式如下：顶板纵梁1100×2000，站厅层纵梁700×1300，底板纵梁1500×2200，柱700×1300；顶板厚度800mm，站厅层板厚400mm，底板厚1000mm。采用Beam44模拟梁柱单元，Shell63模拟板壳单元，Link10模拟土弹簧单元，土弹簧设只受压不受拉，侧壁与排桩之间设置只压不拉链杆；由于站台层楼板两边被隧道分开，未能与侧壁形成箱形结构，因此模型中整体分析忽略此层。

 

      考虑裂缝计算的正常使用荷载作用下结构的内力及位移如图4~5，可见在正常使用荷载作用下结构位移较小，最大仅14mm，发生在跨中及洞口周边，内外侧壁与框架梁柱及楼板形成箱形结构体系共同作用，梁端弯矩值由于支座处应力集中，取柱截面边缘处相应的单元弯矩进行结构设计，如图6。

      底板计算结果显示结构受力特点明确，侧壁支座处负弯矩最大，纵梁尤其柱位处应力集中弯矩较大，由于荷载较对称且底部设置土弹簧，因此跨中正弯矩整体相对均匀。

      站厅层由于开洞较多，楼板刚度相对较弱，除支座处外，洞口周边和角部弯矩较大（如图7），因此应设置洞边梁或暗梁并在洞口角部设置放射筋，加强整体刚度。

 

      由于本地铁项目局部侧壁相邻为某住宅项目的地下结构，此侧没有土，若把整个地铁结构做为一个箱形体，则两侧土压力不平衡，通过在一侧施加预应力锚索以抵抗此方向土压力，以达到两侧压力平衡的目的；另外结构的端头部位为了更好地传递土压力增加结构的整体性，在侧壁顶部设置1排支撑。在分析中选取了2个典型断面分别为：端头部位以及标准跨部位，通过对典型断面的计算分析，得到结构的内力位移等整体指标，作为施工图设计的指导。

      由图8可见，最大位移仅13.2mm，发生在顶部，位移变化均匀，结构整体性较好，另外各构件的内力值也无异常，可以满足正常使用的要求，说明本方案是可行的。

 

      7.1通过整体建模的有限元分析，能较好地反映结构的真实工作状态，并得出结构各部分共同工作时的内力及变形，避免局部配筋不足或配筋过量的情况。

      7.2对于地下建筑，有限元分析考虑土体的约束作用，能较真实准确地反映侧壁、挡土墙及底板的受力特点。

      7.3对框架厚板结构，尤其板上开大洞时，采用有限元法能提供较准确可信的计算数据。

 

［1］ GB 50517-2003地铁设计规范［S］