基于SAP2000有限元软件的明挖地铁车站主体结构三维模型分析

摘要：通过对明挖车站结构传统二维平面计算方法进行分析，指出此种计算方式的不足，建议对复杂的断面多样化的车站进行三维整体建模分析。结合现有工程实例，对明挖二层岛式站台车站在大型有限元结构分析软件SAP2000中进行建模计算，得出如下结论：明挖车站结构中的楼板非通常意义上的单向板，墙、板结构是明挖车站结构的主要受力结构；相对于二维计算，整体建模计算，车站标准段墙板单元弯矩略大，梁单元弯矩略小；车站结构最不利受力区域为底横梁和车站与风道连接处，需仔细核算；二维计算下的车站端墙和边梁局部设计配筋过强，存在优化余地。

关键词：明挖车站；SAP2000；车站结构；板单元；壳单元；风道；

一．概述

明挖地铁车站的计算通常采用平面刚架结构模型[1]，在与线路垂直方向截取尺寸，荷载条件不同的截面进行车站横断面计算，再沿线路走向截取纵断面，计算梁柱受力。这种计算方式有着计算模型受力机理清晰，建模简便，设计保守的优点，但相对于车站三维整体建模，二维模型也有其弊端：首先二维模型对于车站断面形式变化较少的车站相对简便，但如果车站断面形式多样，尤其是纵断面需要不止计算一种的情况下，其计算量会非常大，因为其纵断面，每段梁的荷载需用板带法进行手动计算再进行进行施加，如果柱跨不均匀，车站宽度变化多，会大大增加建模工作量，而三维整体建模只需建模一次，并且无需手动计算梁单元荷载，所以相对于三维维整体建模，二维模型计算并不一定能做到简便省时；从受力考虑，二维模型计算没有考虑板的纵向刚度，即板不能与梁共同承受弯矩，这显然不合理，会造成梁单元弯矩比实际大，造成经济浪费；另外由于平面模型自身的局限性，无法模拟侧墙风道出入口开洞，盾构开孔，中板开孔等细部计算。因此需要适时考虑应用三维模型计算，减少工作量，提高结构设计的可靠性和经济性。

二．明挖地铁车站结构

明挖车站结构不同于地上混凝土框架结构，其顶，中，底板极少采用双向板肋梁楼盖与无梁楼盖结构，但也不同于单向板肋梁楼盖，通常，延线路方向梁为主梁，在垂直于线路方向的位置，只有设置扶梯吊钩与车站高度宽度变化等位置才设置次梁，一般只有单方向的主梁；明挖车站没有基础，其底板结构即是基础结构，以温克尔弹簧的连接方式作用于地基土体；侧墙是车站结构的主要承重结构，车站侧向土体土压力作用在侧墙上，平衡于顶、中、底板的轴力。车站顶板，底板与侧墙连接处通过腋角增强刚度。在整个受力体系中，墙、板结构发挥了重要的作用，这与以梁柱结构为主的地上混凝土框架结构形成了鲜明的对比。在这种情况下，板结构不能简单的归为单向板还是双向板，而是在SAP2000软件中，通过单元网格划分，与梁柱体系协同受力。

在SAP2000软件中可以实现面单元的网络划分，通过网络划分后的板单元，其边缘处的梁单元也自动进行划分并于划分后的板单元共用节点。根据车站结构体系的特点，面荷载需施加“均布荷载”而不是“均匀分布到框架”，实际计算中，如果采用“均匀分布到框架”的方式施加荷载则结算结构明显比实际偏小。

三．明挖车站结构在SAP2000有限元软件在有限元软件中的实现

3.1 工程概况

本次分析选取兰州市城市轨道交通1号线一期工程拱星墩站，位于城关区现状道路东岗东路与焦家湾路丁字路口处，车站沿东岗东路东西方向铺设。标准段：宽度为20.10~20.70m，总高13.54~14.23m，结构底板埋深约17.36~18.05m；盾构加深段：宽度为30.60m，总高14.87m，结构底板埋深约18.24m。中心里程处结构顶板覆土厚约3.82m。

拱星墩站所处场地地基土自上而下为：地表一般分布有人工填土；其下为全新统的冲积黄土状土、卵石，底部为下更新统卵石。

3.2主要构件材料及尺寸

1) 材料的选择须满足结构强度及耐久性要求，按照《混凝土结构设计规范》[2](GB50010--2010)及《混凝土结构耐久性设计规范》[3]((GB／T50476--2008)要求，主要受力构件材料选取如下：

混凝土：顶、底板和侧墙混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P12，中板为C35，柱为C50，素混凝土垫层为C20；主筋采用HRB400

2)主要构件尺寸

标准段：顶板厚800mm，中板厚400mm，底板厚900mm。顶、中、底板与内衬墙支座处均设斜托局部加厚

3.2 模型实现

SAP2000是独立的基于有限元的结构分析和设计程序。它提供了功能强大的交互式用户界面，带有很多工具帮助快速和精确创建模型，同时具有分析最复杂工程所需的分析技术[4]。 SAP2000默认情况下有两个操作窗口，可以在这两个

操作窗口中可以分别设置显示模式，显示对象和结构激活、钝化情况，非常方便，另外与Midas软件不同，SAP2000可以在划分单元网络之后，可对划分后的单元进行整体指定操作，例如施加荷载，定义截面、边界条件等，它还可以将划分精细程度不同的相邻板单元或实体单元实现变形协调。但在施加渐变荷载方面，SAP2000只能通过定义节点样式来进行施加，不如Midas操作灵活。

在SAP2000中，板壳对象按照受力特点可以分为三类：膜单元、板单元和壳单元。膜单元只具有平面内的刚度；板单元与膜单元相反，只具有平面外的刚度，承受弯曲力，模拟薄梁或者地基梁等；壳单元的力学行为是膜单元与板单元之和，是真正意义上的壳单元。 墙板结构是明挖车站的受力主体。模型实现过程中的每一个细节，决定模型质量与受力分析的准确性。本次车站所有墙，板结构均采用壳单元进行模拟，并应选择厚壳。其中，参数“Thickness of Membrane” 用于计算壳元或膜元的面内刚度和用于计算自重和质量(动力)；Thickness of Bending 用于计算板或壳单元的面外刚度，所以本次建模应将这两个参数应与实际板单元厚度一致[5]。

3.3计算结果

图3.1 车站整体框架体系基本组合弯矩图

图3.2 车站侧墙基本组合弯矩图

图3.3 车站底板基本组合弯矩图