2. 1. 2 计算参数和模型本次采用ANSYS 软件梁单元(BEAM 3) 模拟主体结构,弹簧单元(COMBIN 14) 模拟弹簧,将所有的荷载换算为等效节点荷载加到每个节点上。在每个节点上都加上径向的弹簧,弹簧的刚度为同一点处地层的弹性抗力系数,通过反复计算确定弹簧的有无。总共划分了128 个梁单元和28 个弹簧单元。岩土体计算参数以实际的地质勘测资料为准,主体结构盾构隧道管片为C50 混凝土,但根据管片的接头效应和刚度等效原理,将其弹模折减到原值的0. 75[5] ,其他结构取C30 混凝土的参数。计算采用水土合算的形式,荷载取值如下:岩土体的容重为20 kN/m3,钢筋混凝土的容重为25 kN/立方米,地面活载为20 kN/平方米,水平压力用竖向荷载乘以侧压力系数0. 538(地质资料) 。地层的弹性抗力为16 MPa/m , 有限元模型网格、约束和荷载见图3。
2. 1. 3 计算情况
根据荷载2结构模式的基本假设,本次计算取车站主体结构的最不利受荷情况即可能的最大埋深:轨面埋深21. 5 m 模拟计算。站厅取3 种不同的净高,分别为5. 5 m 、6. 0 m 和6. 5 m ; 每种站厅净高下主体结构取3 种不同的厚度,分别为0. 4 m 、0. 5 m 和0. 6 m 。
2. 1. 4 计算结果和分析
每一种情况的计算结果包括结构的变形、弯矩、轴6. 5 m , 主体结构厚度0. 5 m 为例,将部分计算结果如力和剪力。将部分计算结果由表1 列出,以站厅净高图4～ 图6 列出。
表1 主体结构最大弯矩及相应的轴力
从以上计算结果分析:
(1) 随着站厅净高的增加,拱顶、仰拱和盾构管片的最大弯矩都明显减小,拱顶处最大减小了80 %(从328 kN·m 减小到59 kN·m) ;虽然相应的轴力也有所减小,但减小的百分比很小,最大只有6 %(从1 080 kN 减小到1 022 kN) ,对于混凝土材料而言,这样的内力变化是有利的,故在考虑站厅净高时,在条件允许的情况下,应尽量增加站厅的净高。
(2) 两侧立柱弯矩的变化情况是先由小增大再由大减小(从274 kN·m 增大到303 kN·m , 再从303 kN ·m 减小到297 kN·m) ,而相应的轴力减小却不太明显,最大只有6 %(从2 373 kN 减小到2 221 kN) ,说明对立柱而言,并非站厅的净高越高越好,而是有一个合理的高度。
(3) 在相同站厅净高条件下,拱顶和仰拱的弯矩随主体结构厚度增加的变化情况是先由大减小再由小增大(以站厅净高6. 5 m , 拱顶的弯矩变化为例,先从101 kN·m 减小到59 kN ·m , 再从59 kN ·m 增大到141 kN·m) ,相应的轴力变化情况是先由小增大再由大减小(从1 160 kN 增大到1 181 kN , 再从1 181 kN 减小到1 140 kN) ,但两侧立柱和盾构管片的内力变化幅度较小(最大不超过10 %),故在考虑主体结构厚度时,在满足材料要求的前提下,应选择合理的主体结构厚度。
(4) 从盾构管片的内力分布来看,三连拱岛式站台车站结构盾构管片的内力,与相应的盾构区间隧道管片内力分布在相同的量级上,说明采用这种方法没有给盾构管片增加太大的附加内力,并且更重要的是管片不需要作任何特殊处理,采用普通的盾构管片就可以满足结构要求。
综上分析,对盾构法隧道基础上扩挖的三连拱岛式站台车站,在轨面埋深为21. 5 m 时主体结构参数的合理取值如下:站厅净高6. 5 m , 主体结构厚度0. 5 m , 管片部分采用普通盾构管片。主体结构混凝土各部分的应力分布情况如表2 所示。从表上可看出,盾构隧道管片主体结构厚度为0. 3 m 的C50 钢筋混凝土平板型、通过内外两侧配钢筋后(比如,钢筋净保护层厚为50 mm , As = 1 018 平方毫米) 能够满足结构的长期安全性要求。再次说明此种结构形式的管片主体结构本身是可行的。其他部位采用0. 5 m 厚的C30 钢筋混凝土也能满足结构的长期安全性要求。
表2 结构各部分应力分布情况表