基于SAP2000有限元軟件的明挖地鐵車站主體結(jié)構(gòu)三維模型分析.doc

1、基于sap2000有限元軟件的明挖地鐵車站主體結(jié)構(gòu)三維模型分析 摘要：通過(guò)對(duì)明挖車站結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)二維平面計(jì)算方法進(jìn)行分析，指出此種計(jì)算方式的不足，建議對(duì)復(fù)雜的斷面多樣化的車站進(jìn)行三維整體建模分析。結(jié)合現(xiàn)有工程實(shí)例，對(duì)明挖二層島式站臺(tái)車站在大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件sap2000中進(jìn)行建模計(jì)算，得出如下結(jié)論：明挖車站結(jié)構(gòu)中的樓板非通常意義上的單向板，墻、板結(jié)構(gòu)是明挖車站結(jié)構(gòu)的主要受力結(jié)構(gòu)；相對(duì)于二維計(jì)算，整體建模計(jì)算，車站標(biāo)準(zhǔn)段墻板單元彎矩略大，梁?jiǎn)卧獜澗芈孕?；車站結(jié)構(gòu)最不利受力區(qū)域?yàn)榈讬M梁和車站與風(fēng)道連接處，需仔細(xì)核算；二維計(jì)算下的車站端墻和邊梁局部設(shè)計(jì)配筋過(guò)強(qiáng)，存在優(yōu)化余地。 關(guān)鍵詞：明挖車站；sa

2、p2000；車站結(jié)構(gòu)；板單元；殼單元；風(fēng)道； 中圖分類號(hào)：u231文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： a 一概述 明挖地鐵車站的計(jì)算通常采用平面剛架結(jié)構(gòu)模型1，在與線路垂直方向截取尺寸，荷載條件不同的截面進(jìn)行車站橫斷面計(jì)算，再沿線路走向截取縱斷面，計(jì)算梁柱受力。這種計(jì)算方式有著計(jì)算模型受力機(jī)理清晰，建模簡(jiǎn)便，設(shè)計(jì)保守的優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)于車站三維整體建模，二維模型也有其弊端：首先二維模型對(duì)于車站斷面形式變化較少的車站相對(duì)簡(jiǎn)便，但如果車站斷面形式多樣，尤其是縱斷面需要不止計(jì)算一種的情況下，其計(jì)算量會(huì)非常大，因?yàn)槠淇v斷面，每段梁的荷載需用板帶法進(jìn)行手動(dòng)計(jì)算再進(jìn)行進(jìn)行施加，如果柱跨不均勻，車站寬度變化多，會(huì)大大增加建模工作量，

3、而三維整體建模只需建模一次，并且無(wú)需手動(dòng)計(jì)算梁?jiǎn)卧奢d，所以相對(duì)于三維維整體建模，二維模型計(jì)算并不一定能做到簡(jiǎn)便省時(shí)；從受力考慮，二維模型計(jì)算沒(méi)有考慮板的縱向剛度，即板不能與梁共同承受彎矩，這顯然不合理，會(huì)造成梁?jiǎn)卧獜澗乇葘?shí)際大，造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)；另外由于平面模型自身的局限性，無(wú)法模擬側(cè)墻風(fēng)道出入口開洞，盾構(gòu)開孔，中板開孔等細(xì)部計(jì)算。因此需要適時(shí)考慮應(yīng)用三維模型計(jì)算，減少工作量，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 二明挖地鐵車站結(jié)構(gòu) 明挖車站結(jié)構(gòu)不同于地上混凝土框架結(jié)構(gòu)，其頂，中，底板極少采用雙向板肋梁樓蓋與無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)，但也不同于單向板肋梁樓蓋，通常，延線路方向梁為主梁，在垂直于線路方向的位置，只有

4、設(shè)置扶梯吊鉤與車站高度寬度變化等位置才設(shè)置次梁，一般只有單方向的主梁；明挖車站沒(méi)有基礎(chǔ)，其底板結(jié)構(gòu)即是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以溫克爾彈簧的連接方式作用于地基土體；側(cè)墻是車站結(jié)構(gòu)的主要承重結(jié)構(gòu)，車站側(cè)向土體土壓力作用在側(cè)墻上，平衡于頂、中、底板的軸力。車站頂板，底板與側(cè)墻連接處通過(guò)腋角增強(qiáng)剛度。在整個(gè)受力體系中，墻、板結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要的作用，這與以梁柱結(jié)構(gòu)為主的地上混凝土框架結(jié)構(gòu)形成了鮮明的對(duì)比。在這種情況下，板結(jié)構(gòu)不能簡(jiǎn)單的歸為單向板還是雙向板，而是在sap2000軟件中，通過(guò)單元網(wǎng)格劃分，與梁柱體系協(xié)同受力。 在sap2000軟件中可以實(shí)現(xiàn)面單元的網(wǎng)絡(luò)劃分，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)劃分后的板單元，其邊緣處的梁?jiǎn)卧沧詣?dòng)進(jìn)

5、行劃分并于劃分后的板單元共用節(jié)點(diǎn)。根據(jù)車站結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，面荷載需施加“均布荷載”而不是“均勻分布到框架”，實(shí)際計(jì)算中，如果采用“均勻分布到框架”的方式施加荷載則結(jié)算結(jié)構(gòu)明顯比實(shí)際偏小。 三明挖車站結(jié)構(gòu)在sap2000有限元軟件在有限元軟件中的實(shí)現(xiàn) 3.1 工程概況 本次分析選取蘭州市城市軌道交通1號(hào)線一期工程拱星墩站，位于城關(guān)區(qū)現(xiàn)狀道路東崗東路與焦家灣路丁字路口處，車站沿東崗東路東西方向鋪設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)段：寬度為20.1020.70m，總高13.5414.23m，結(jié)構(gòu)底板埋深約17.3618.05m；盾構(gòu)加深段：寬度為30.60m，總高14.87m，結(jié)構(gòu)底板埋深約18.24m。中心里程處結(jié)構(gòu)頂板覆

6、土厚約3.82m。 拱星墩站所處場(chǎng)地地基土自上而下為：地表一般分布有人工填土；其下為全新統(tǒng)的沖積黃土狀土、卵石，底部為下更新統(tǒng)卵石。 3.2主要構(gòu)件材料及尺寸 1) 材料的選擇須滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐久性要求，按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范2(gb50010-2010)及混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范3(gbt50476-2008)要求，主要受力構(gòu)件材料選取如下： 混凝土：頂、底板和側(cè)墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為c50，抗?jié)B等級(jí)為p12，中板為c35，柱為c50，素混凝土墊層為c20；主筋采用hrb400 2)主要構(gòu)件尺寸 標(biāo)準(zhǔn)段：頂板厚800mm，中板厚400mm，底板厚900mm。頂、中、底板與內(nèi)襯墻支座處均設(shè)斜托局部

7、加厚 3.2 模型實(shí)現(xiàn) sap2000是獨(dú)立的基于有限元的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)程序。它提供了功能強(qiáng)大的交互式用戶界面，帶有很多工具幫助快速和精確創(chuàng)建模型，同時(shí)具有分析最復(fù)雜工程所需的分析技術(shù)4。 sap2000默認(rèn)情況下有兩個(gè)操作窗口，可以在這兩個(gè)操作窗口中可以分別設(shè)置顯示模式，顯示對(duì)象和結(jié)構(gòu)激活、鈍化情況，非常方便，另外與midas軟件不同，sap2000可以在劃分單元網(wǎng)絡(luò)之后，可對(duì)劃分后的單元進(jìn)行整體指定操作，例如施加荷載，定義截面、邊界條件等，它還可以將劃分精細(xì)程度不同的相鄰板單元或?qū)嶓w單元實(shí)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)。但在施加漸變荷載方面，sap2000只能通過(guò)定義節(jié)點(diǎn)樣式來(lái)進(jìn)行施加，不如midas操作靈活

8、。 在sap2000中，板殼對(duì)象按照受力特點(diǎn)可以分為三類：膜單元、板單元和殼單元。膜單元只具有平面內(nèi)的剛度；板單元與膜單元相反，只具有平面外的剛度，承受彎曲力，模擬薄梁或者地基梁等；殼單元的力學(xué)行為是膜單元與板單元之和，是真正意義上的殼單元。 墻板結(jié)構(gòu)是明挖車站的受力主體。模型實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，決定模型質(zhì)量與受力分析的準(zhǔn)確性。本次車站所有墻，板結(jié)構(gòu)均采用殼單元進(jìn)行模擬，并應(yīng)選擇厚殼。其中，參數(shù)“thickness of membrane” 用于計(jì)算殼元或膜元的面內(nèi)剛度和用于計(jì)算自重和質(zhì)量(動(dòng)力)；thickness of bending 用于計(jì)算板或殼單元的面外剛度，所以本次建模應(yīng)將這兩

9、個(gè)參數(shù)應(yīng)與實(shí)際板單元厚度一致5。 3.3計(jì)算結(jié)果 圖3.1 車站整體框架體系基本組合彎矩圖 圖3.2 車站側(cè)墻基本組合彎矩圖 圖3.3 車站底板基本組合彎矩圖 圖3.4 車站中板基本組合彎矩圖 圖3.5 車站頂板基本組合彎矩圖 圖3.6 車站盾構(gòu)端端墻基本組合彎矩圖 表3.1 二維三維模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比 構(gòu)件位置 二維平面計(jì)算基本組合彎矩(kn?m) 三維整體計(jì)算基本組合彎矩 (kn?m) 頂板標(biāo)準(zhǔn)段（跨中/中柱支座） 653/1071 760/1203 中板標(biāo)準(zhǔn)段（跨中/中柱支座） 95/170 160/250 底板標(biāo)準(zhǔn)段（跨中/中柱支座） 876/1121 1005/1477 側(cè)墻（跨中/與

10、底板連接處） 246/970 430/1003 頂縱梁標(biāo)準(zhǔn)段（跨中/支座） 4733/6700 3446/4655 中縱梁標(biāo)準(zhǔn)段（跨中/支座） 1684/1972 892/1302 底縱梁標(biāo)準(zhǔn)段（跨中/支座） 5663/9100 4733/7889 4.結(jié)論 通過(guò)本次三維模型計(jì)算，得出如下結(jié)論： 1)通過(guò)三維建?？梢酝茢啵瑝?、板結(jié)構(gòu)在明挖車站受力體系中發(fā)揮著重要作用，與梁、柱體系協(xié)同承擔(dān)荷載，三維計(jì)算結(jié)果表明真實(shí)情況下墻，板實(shí)際受力略大于二維平面計(jì)算結(jié)果，各主梁的實(shí)際彎矩小于二維平面計(jì)算結(jié)果。 2)車站與風(fēng)道連接處，應(yīng)確保變形縫量測(cè)梁的剛度和柱跨的合理性，減小頂板變形。 3)車站盾構(gòu)擴(kuò)大段與標(biāo)

11、準(zhǔn)段連接處的底橫梁，跨中位置基本組合彎矩達(dá)到8000kn?m以上，應(yīng)增強(qiáng)底橫梁截面上部配筋。 4)盾構(gòu)端墻抗震柱兩側(cè)和第一層抗震柱之間的區(qū)域彎矩很小，建議盾構(gòu)端墻采取在此類區(qū)域減少配筋。 5)車站各側(cè)梁，彎矩都處于較低水平，尤其是中板盾構(gòu)端邊梁與平面計(jì)算出入較大。其梁的尺寸和配筋還有優(yōu)化余地 參考文獻(xiàn)：1李興高，張彌地鐵車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算中的問(wèn)題j都市快軌交通2005，18(5)：2630li xinggao，zhang miproblems in internal force calculation ofmetro station structurejuraban rapid rail transit200518(5)：2630. 2 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部gb50010-2010混凝土結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范s北京：中國(guó)建筑工業(yè)出