第卷第期木卜程二学二报万弓年月—二万万二二二下了浅埋暗挖三拱立柱式地铁车站内力分析研究赵幸源斗匕方交通大学’提要为配合解决北京地铁用行挖法修建浅埋几拱亿柱式地铁车站设计与施〔新技术用互作本文针对试验段单层几拱立杭式车站敏合衬沏结构建起既考虑围岩与结构的朴又能考虑复合衬砌内外层间相互作用的车站结构计算模划以及车站纵梁计算模型井进行许多眨况的大址运炸分析山此得出的有关结论和内力分析方法对于单层或多层浅埋暗挖二拱立柱式地铁车站设计都有简便实川意义分析结果能较好地反映车站复合衬砌内力的墓本性态使设计具有相应的安全和经济合理性月吕三拱立柱式地铁车站过去多用于后构施工的深埋地下铁道砌内力分析铁乍站来说预测分析对此题,一般按荷载结构模型进行衬但是对于在浅埋软弱地层中采用喷锚构筑法暗挖施工以钢筋架喷混凝土为外层初期支护以现浇钢筋混凝上为内层二次衬砌在内外层间有防水隔离层的复合衬砌地不仅荷载问题围岩与衬砌之间的相互作川问题需要认真研究处理而且控制地面下沉量以及复合衬砌内力分析司题吏需很好研究处理关于施工过程中地面沉量的歹可以采用二维或三维有限元或’有限元混合应川的共它分析方法予以解决【‘有七它文献可供借鉴然而内外层衬砌之间的相互作川则仍是有待解决的棘手关于复合衬砌的内力分析现存在两种观点一种是把外层初期支护视为主要承载结构内层二次衬砌只是作为安全储备不计受力另一种则认为外层初期支护是施工阶段的最终承受全部荷载介于两者之间的观点则视内外衬然后按内外层刚度比进行内外层而在内衬设则过于保守按内外层刚度比进临廿支护不考虑承载内层二次衬砌两部分刚度之和为组合衬砌刚度按整体结构计算衬砌内力的内力分配’作者认为把内衬仅视为安全储备的观点具有一定的片面性计时不考虑相当厚的钢筋架喷混凝土初期支护的承载作用行内力分配的组合结构计算模塑力基本性态琴分析运算结果亦未能反映复合衬砌内外层共问承载的内”毛作者赞同“发展适用而简便的分析方法’的观点以现行有关设计规范为依据适应通用程序的使用要求针对三拱立柱式单层地铁乍站试验段复合衬砌结构建立既考虑围以及车站岩与结构的相互作用纵梁计算模型法,又能考虑复合衬砌内外层间相互作用的乍站结构计算模型进行许多工况的大量运算分析力求建立简便实用的复合衬砌内力分析方以使设计具有相应的安全和经济合理性本研究是北京市科技委资助研究课题的部分成果二、计算荷载与荷载组合由于本文的重点足车站结构的内力分析故采用荷载结构模型以使分析简捷在此结合北京地铁的人防及抗震要求一拟定浅埋暗挖地铁车站的计算荷载与荷载组合计算荷载仁动荷载包括】路面乍辆荷载竖向土压力与侧向土压力由于浅埋地铁乍站的覆跨比很小衬砌〔重故垦向上压力按全上柱高计‘且计及路面荷载侧向」仄力则按库伦土压理论计算或按给定的侧压系数计算人防荷载根据人防设计规范有关公式将人防动荷载转换为等效扑载》地震荷载包括水卜地震力‘竖向地震力据《铁路五程抗震没计规范一一般是衬砌一侧的上体的破裂角增所列公式计算得出而另一侧减小由地震引起的侧向土压力变化大为安全和简化计算这里只考虑计算摩擦角减小一个地震角计算侧压力增遗此时侧压力增量在两侧均为同一数值冬分布则为反对称被动荷载在士动荷载作用下定算得支护结构变形受到地层的约束而产生的围岩抗力按假一般称之谓围岩弹性抗力地震作用下的侧向围岩弹性抗力三假定其作用范围与地震荷载作用时相同二荷载组合但其方向与水平地震力方向相它荷载如地下水压力等未予计人在进行车站结构内力分析时要求根据规范对不同荷载组合作用下的衬砌结构的不同安全度对各种形式的荷载进行两类组合纂本荷载组合由上压力加汽车荷载加衬砌自重三者而得特殊荷载组合由华本荷载组合或不包括汽车荷载单加人防荷载或单加地震荷载而得慕本荷载组合用于外层衬砌和复介衬砌的内力分析力分析特殊荷载组合只用于复合衬砌的内三地铁车站内力分析的有限元计算模型一车站衬砌结构计算模型三拱立柱式地铁车站是一座复杂的空间结构物在横向平面内三拱衬砌通过纵梁与两衬砌截面形状尺寸无变根柱子连接而成三拱立柱式车站结构沿纵向化柱子以等间距排列作川在衬砌的荷载亦沿纵向均匀分布因此为计算简便而又能反映衬砌内力的基本状态在作乍站衬砌结构内力分析时截取纵向柱距中线之间的衬砌结构作为一个计算单元或沿纵向取一延米长结构混凝土衬砌柱子计算刚度相应折减按平面框架计算山于乍站采用复合式衬砌外层喷混凝土支护施工完毕后隔一定时口才施做内层现浇故分别按复合衬砌与外层衬砌选取计算模型复介衬砌计算模型如图所示将内外层衬砌与纵梁和立两层之间力的相互传递以围岩弹性抗力以边界元模柱模拟为粱单元析架单元虚拟拟算考虑结构与荷载均对称取半个结构计在运算时所有荷载均变换为节点荷载作用于有限元节点上在水平地震力作用下荷载为反对尔儿已盛、了峭峭创娜处需改为竖向位移约束切仁理在计算模型中对纵粱作了两种不同的处其一是将纵梁石作具有相当大刚度的刚图复合衬砌有限以算模型竹此时拱跨计至纵梁边缘七二是假设纵梁在施工中未能保证形成整体强大刚度此时拱跨计至杜中心而分别看作外内层衬砌的一部分边界单元与析架单元均吴定只能承受轴向之力若运算结果出现拉力则把该单元去掉重算析架单元的抗压刚度主要取决于内外衬之间的防水隔离层的厚度和弹性模量共值可山防水隔离层的线刚度换算求得但所采用的换算弹性模量值不应大于衬砌的弹性模量值图力分析所示为最终的乍站复合衬砌结构内力分析模型适用于双层衬砌后期共同承载的内三共中对纵梁处梁单元的模拟反映按书洞法施工图。内外衬均从六边形截而、的下纵梁之上下棱边侧而与纵梁刚性么合之情况图 对于按非柱洞法施工采用与此截而形式不同的纵梁或不同的与内外衬结合的形式可视具体情况另行模拟犷一粗丰州同法施创临序示例纵梁与内外衬和立柱结合形式图‘术洞法施顺示例及纵梁与内外衬和立柱结合形式外层支护计算模型外衬施做完毕‘‘内衬未施做之前外层喷混凝上支护将单独承受旅木荷载组合即为此状态的计算模型将图的内衬单元与层间析架单元去掉在此亦作了与上述复合衬砌计算漠型相同的对纵梁的两种不同处理卜述外层支护计算模型是按图所示施工顺序外衬全部施做完毕并与纵梁刚性结合吐拆除外衬以内的柱洞临时支护后的最终状态的外层支护计算模型部开挖施仁在外衬施上阶段图所示为采用短台阶分根据施工安全需要其内力是随施工的迸展而不断变化的可按图示的施工顺序拟定各关键施工阶段的计算模型由各施工阶段和最终的外衬内力和位移分析结果日临口七一强措施确定相应的外于设计不对于非柱洞法施工或工序有异之情况衬砌而跨为单层外衬的混合模型,‘可另行拟定相应施工阶段的计算模型例如若在边跨外衬及内衬均全部施做完毕之后始施做中跨外衬为确保施仁安个或控制地而下沉量加设锚杆则相应的计算模型将是边跨为复合在开挖前常需迸行超前预注浆加固地层或开挖后对于顶注浆加固地层的作用《可视加固层的厚度及固结效果将边界单元所采川的》围岩弹性抗力植按铁路隧道设计规范加一的规定适当提高加没有锚杆处在外衬计算模型中可视该处之边界单元为既能受压又能受拉之单元予以保证但考虑锚杆长期锈蚀后失去作用向压力递匀共抗拉能力由所设置的锚杆在复合衬砌计算模型中边界单元仍考虑只能传二车站纵梁计算模型在作车站纵梁内力分析时计算以往一般按立柱与纵粱在柱端铰接将纵梁看作多跨连续梁所得内力是受力平而内的弯矩和切力考虑到三拱立柱式车站纵梁由于中边跨拱部传递来的力矩不平衡实际作用在纵梁的荷载除了由拱部传来的竖向均布荷载外尚有沿纵梁均布的扭力矩 如图所示所以在此将立柱与纵梁处理为在柱端闪」一〕夕、沪魏,“砧理丫“‘接娜把梁柱看作多跨框架离散为梁单元集李,飞、合体进行内力分析所得内力除弯矩力切轴力以外尚有扭矩木分析的仁纵梁一叭尤‘、,、,才是在柱侧有斜托的变断而梁故有轴力在分析中又选取了两种不同的框架形式进行计算计算以供比较即丁纵梁及柱按多跨封闭框架图所显示者仅为试验段的两跨枢图纵粱的作用荷载与计算模塑架下纵梁及柱分别按多跨开日框架计算四、车站衬砌与纵梁内力的运算成果分析这里根据八类墓本计算况应用程序运算的成果从四个主要方面进行分析比较一车站衬砌计算模型的不同处理对衬砌内力的影响拱跨计至纵梁边缘或柱中心的衬砌内力变化图是外层支护在单独承受毖本荷载并计及侧向围岩弹性抗力的情况下按拱跨计至纵梁边缘运算而得的截面杏矩图拱跨计至柱中心时其余均较小拱墙柱各控制截面的弯矩除中跨拱顶处较前者的弯矩位稍大之外只是墙底角隅负弯矩增大较多而且下纵梁边缘处之衬砌负弯矩消失中纵梁边缘处衬砌截面弯矩变小甚至消失而角隅应力进一步集反映了不大符合实际和不大合理的内力分配状态同时按拱跨计至柱中心所得之截面轴向压力普遍较拱跨计至纵梁边缘者大而构关键部位相应截面弯矩普遍偏小这样件截面强度校核结果实际上将偏于不安全从复合衬砌承受基本荷载时的内力看两种计算图式的内外层衬砌内力变化亦大致与上述相同载图图是复合衬砌承受基本荷二,公一一不下一一按拱跨计至纵梁边缘运算得出的弯矩外衬有矩《 内衬弯距图外衬单独承受墓本荷载的弯矩图复合衬砌承受墓本荷载的弯矩在复合衬砌承受土同幸白重人防荷载作用下两种计算图式所得的内力变化状态与述因此把纵梁模拟为刚臂拱跨计至纵梁边缘的计算图式对于不同的荷载组合与单双层衬砌来说都是一种较安全和较合理的计算图式柱端固接或铰接的衬砌内力变化一般将柱端处理为铰接以往在作框架式车站衬砌内力分析时站柱端实际可能存在较大的不平衡力矩同样以外衬单独承受基本荷载内力不产生大的影响为安全计这里考虑三拱龙柱式车对柱子和纵梁的内力状态将有较大影响故对柱端铰接和固接的衬砌计算图式作了运算分析拱跨计至纵梁边缘按柱端铰接或固接分析对车站衬砌但若考虑到柱端实际存在不平衡力矩且纵梁受到扭转力矩作用贝以采用柱端固接的计算图式为宜二土侧压力系数或围岩弹性抗力对衬砌内力的影响土侧压力系数变化对衬砌内力的影响在原始资料中给定侧压系数只计算摩擦角切相应算得的土侧压力系数为只二两者差谊较大从衬砌承受基本荷载看无论是外层单独受力或复合衬砌内外层共同受力在计及围岩者小侧向弹性抗力作用的情况下轴力则增大只二采用只邓寸之衬砌主要截面弯矩普遍较只而只是在墙角和边跨拱腰局部节点处之截面弯矩前者大于后者从复合衬砌承受特殊荷载组合来说在计及围岩侧向弹性抗力的情况下采用只二与所得的内力变化状态亦均如述值得注意的是大当采用只二时不仅复合衬砌所产生的截而弯矩普遍较只者而轴向压力减小并且在外衬中跨拱顶截面还出现轴向拉力为安全计所以在上侧压力系数难以准确提供的情况下可采用较小侧压力系数算得的内力值作为基本设计依据,而在边跨拱腰和墙角处的截面强度检算中运算结果表明力以较大侧压力系数算得的较大内力值校核围岩侧向弹性抗力对衬砌内力的影响在以竖向压力为主的组合荷载作用下只衬砌两侧几乎全面产生弹性抗但是若采用较大的侧压力系数中而不计及侧向围岩弹性抗力则无论荷载组合如何边跨拱顶截面弯矩都大增近一倍或大于一倍但墙角处由于转角位移约束减弱而使弯矩值大下降较符合实际山于采用暗挖喷锚支护施工地层未受多大扰动为使衬砌设计比应考虑围岩侧向弹性抗力作用三不同的荷载组合对衬砌内力的影响墓本荷载作用下的衬砌内力这里考察外衬施做后承受全部基本荷载与复合衬砌内外两层外衬等厚内衬除边跨由起拱线至拱顶段及仰拱的外侧段为」等厚外车站试验段结构设计总宽其它段为最小厚度的变截面段切高共同承受全部基本荷载的状况后一状况的使衬砌内力在出发点是考虑由于喷混凝土的蠕变两层问垂新分布大变化拉力外以及列车振动等长时效作用因素的影响与外层单独受力状况见图相比考虑内外层共同受力时外层支护内力分布有很后者的截面弯矩图或轴力其余均大大小于前者除拱腰局部弯矩值略增以及拱顶出现小的轴向从图说明荷载己转移由内层衬砌主要承受并可看出义合衬砌的内外层并不具有完全相同的弯矩图形配例如内外层的截而弯矩也不是按两者的刚度比分中跨拱顶截而内外层的抗弯刚度比为但相应的弯矩为即虽然从外层传递至内层的内力实际不会有那么大但以内外层共同受力分析得出的内力位作为内衬设计的依据衬的过于保守的设计相比设计将使内衬具有较大安全度而与由内衬承受全部荷载不计外仍具有较大的经济合理性至于外衬按单独承受全部墓本荷载既可使其在施工期间具有相应的安全度在运营期间由于复合衬砌内力重分布导致的外层内力减小又可增加外衬作为衬砌的一部分与内衬共同承受荷载的安全储备墓本荷载与人防荷载作用下复合衬砌的内力这巨仅以最基本的人防荷载作用下的运算结果进行分析若按外层先期承受全部从本荷载外层承担后期又与内层共同承受人防荷载计则荷载大部分山共所形成的外衬内力普遍大于内衬边跨拱腰弯矩除外而且更大于双层共同承受基本荷载与人防荷载时的外衬内力如据此设计内衬则安全度偏小但只稍大于外衬单独承受基本荷载产生的内力险考虑到外衬的主要作用是保护其后各工序的施工安全使车站复合衬砌内外层合理分担荷载且足够安全得内力进行设计而且人防荷载是偶然性荷载为内衬可按双层承受基本荷载与人防荷载所外衬可按单独承受全部旅本荷载设计基本荷载与地震荷载作用下复合衬砌的内力及墓本荷载和水平地震力与竖向地震力组合作衬砌内力出现非对称分布状态考察基本荷载和水平地震力组合作用用两种状况的内力在基本荷载与水平地震力组合作用处于衬砌竖中线左右侧相应位置的某些主要截面弯矩位有显著差异迎向地震力方向的半衬砌的边跨拱顶上纵梁边缘和中跨下纵梁边缘处截面弯矩值较背向地震力方向的半衬砌相应值增大很多于实际水平地震力来白何方难以确定利内力状态组合而得山故衬砌设计的内力依据应由左右半衬砌各截面的最不因地震竖向加速度与水平加速度引起建筑物的最大反应并不同时出现计算较简便而又略偏于安全的遇合系数法确定所采用的竖向地震力在本分析中采川然后叠加水平与竖向地不沦外卜戍震力分别作用下计算得的内力值为地震力作用下的衬砌内力位内衬截面弯矩运算结果表明计及竖向地震力所增加的位都在咨学了以内勺义韭几了膏’下粉福、。、二了口伴类一哭扭矩胭。口《目弯拒州》劫,”火澎。《切力‘咖卜。图纵梁和立柱的弯矩扭矩切力可以认为在地铁车站抗震设中仅考虑水平地震力的作用而路去竖向地震力不计不会影响衬砌结构的安全度四车站纵梁及柱计算模型不同对其内力的影响在纵梁及立柱内力分析中纵梁及立柱的内力力轴力未示出采用了两种不同的计算方案方案是将上下纵梁与立柱取为多跨封闭框架计算其内力方案图是按柱底或顶端固定的多跨开口框架分别计算下是基本荷载与人防荷载组合作用下的纵梁和立柱的弯矩扭矩切 采用方案计算得出从反映实际结构状态的合理性与准确性来说方案的计算图式均较方案为仕此对纵梁及柱的内力分析以采用多跨封闭框架计算图式为好五结由以上成果分析论可得出如下结论在复合衬砌有限元模型中以析架单元虚拟内外层之间力的传递作用可以得到合理的内外层衬砌内力结果采用喷混凝上钢架支护及时稳定围岩的浅埋暗挖地铁车站在其分析模型中可计计及围岩弹性抗力作及围岩弹性抗力作用以作出经济合理的衬砌设计将纵梁模拟为刚臂拱跨计至纵梁边缘柱端与纵梁固接用的有限元模型对于不同的荷载组合与单双层衬砌来说都是一种较安全和合理的计算模型竖向地震力对地铁车站内力影响很小在计及地震荷载作用时可只计水平地震力的作用在各种荷载组合作用下的浅埋车站复合衬砌其外层可按单独承受全部基本荷载作用所得的内力作为施工期间的设计值运营期间的内外层衬砌或加也震荷载作用卜共同受力分析所得的内力值作为设计依据车站纵梁及柱的内力分析则以基本荷载加人防荷载采用多跨封闭框架计算图式能较合理较准确地反映实际结构状态适当加高中跨拱矢使中跨拱顶略高于边跨拱顶可使作用于立柱顶端的弯矩和上纵梁的扭矩减小甚致趋于消失以圆顺的弧线连接为避免局部应力过分集中使衬砌内力分布趋于合理应将边墙与仰拱的结合部参〔二考文献张建华王梦恕关宝树浅埋隧道暗挖法引起地表下沉的预测及控制隧道及地下工程学会第七届年会暨北京西单地铁车站工程学术讨论会论文集〔习北京玉七 !门李铁汉:岩体力学的学科属性及发展战略岩石力学与工程学报年卷期于IALLO从二NBEDEDMETROSTATIONVVITHTHREEARCH刀ual:e(No:tIlrnongJiao毛入bstlUni、。rslty)乞ing、、飞cne\\v、\\iLhLee:hIniqesin于reoarehdesignandandeorls乞rlzeLs:)nof、halJ。)wlyom(b。ledm。ro七、Laion七、pan、七wo-eolumnsbytureeonsisunnelling七method.atBoi}ingnzetroandinaeeordane。\\viLhthe、trueing乞ofeompoundliningsusedjnarele七rialscetiont)n。ofonestorymetro5Lationwit}飞tl飞roeolspan卜、andt认0eolum、。1。匆fth。、taInructureandions七七Leraetionofthoudinall)。alongi七andsurroundingmsinbuteonoideraalsothetioninofnoLonlythestruetureroekerae七lonofInnerandou七crlining.乞doneinriedeondiLionshadbeen-入lotofea!eulationsandanalysesonva.)tainedeonelusionsandanalyti-thispaperThe()lPleandernalforeesaresj,nealme七hodoofjn七staotinofoneormorestoripraeeatilfordeoigningtllemetro。、withthreejeareh。pan、ofand.七woeolumno5rcvealswelltheba,lytiealresul七tionyfe七eompoundliningandrbehavio、七heinLernalforees-Theana)fthesta-(。比edesignmorerationalbothin~~sa-inceonom丁.飞~呀---~飞澎币薄万万不~币~~~币万~塔.~~--毕~呀斗薄一下币万工f一耳甲犷澎~~不.飞飞一币-芬..不.下飞万~~下薄币~飞上接第79页)元;无粘结预应力连续框架(PRCSUF)300元;有粘结预应力连续梁(PRCSBB)1300元;有粘结预应力连续框架(PRCSBF)30。。元;锚固区局布承压设计(PRCSJY)900元免费提供软件使用手册凡购买全套!:件可享受八折优惠.0并免费赠送钢筋硷结构设计软件对本软件的应用我们将负责长期咨询服务和培训亦可在各省市举办培训班或演示会讲授软件的使用方法订购办法:需要本软件的用户青详细写明软件订购名称数址后随同费用通过下列::银行帐号汇入我会开户名称中国土木工程学会开户银行北京工商银行百万庄分理:处帐号。刊一0124一84款到后立即邮寄也可通过下列地址直接从邮局汇款汀购:J有又具体事宜请与北京百万庄建设部内中国土木工程学会米祥友同志联系联系电话(ol:8311313邮政编码100835该软件版权归土木工程学会不得复制
