李琪　李盛　王尹鶴

摘要：在地鐵車站建設(shè)中車站主體結(jié)構(gòu)主要以鋼筋混凝土實體框架結(jié)構(gòu)為主，該結(jié)構(gòu)混凝土和鋼筋用量多，自重大，造價較高，為了減少混凝土用量和自重，通過數(shù)值模擬，將車站頂板由實心板改為密肋空心板進(jìn)行分析，研究了更換頂板后頂板的受力情況，以及配筋能否通過。結(jié)果表明，更換頂板后頂板彎矩變化不大，抗彎抗剪也能滿足規(guī)范要求。建議密肋空心板可適用于地鐵車站頂板中。

Abstract： In the construction of metro stations， the main structure of the station is mainly reinforced concrete solid frame structure. The concrete and steel bars are used in large quantities， which are self-important and costly. In order to reduce the concrete dosage and self-weight， the station roof is numerically simulated. The solid plate was changed to the ribbed hollow plate for analysis， and the force of the top plate after the replacement of the top plate and whether the reinforcement was able to pass are studied. The results show that the bending moment of the top plate does not change much after the replacement of the top plate， and the bending and shear resistance can also meet the requirements of the specification. It is recommended that the ribbed hollow slabs can use in the roof of a metro station.

關(guān)鍵詞：密肋空心板;地鐵車站主體框架;配筋

Key words： ribbed hollow slab;main frame of subway station;reinforcement

中圖分類號：TU755? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）33-0268-04

0? 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地鐵在人口密度大、交通堵塞的城市得到了廣泛應(yīng)用。而我國的地鐵建設(shè)工程中，地鐵車站主體結(jié)構(gòu)主要以鋼筋混凝土實體框架結(jié)構(gòu)為主，該結(jié)構(gòu)混凝土和鋼筋用量多，自重大，造價較高。因此，對車站主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究具有一定的實際意義。

空心樓蓋的相關(guān)研究分析和工程應(yīng)用從二十世紀(jì)九十年代在我國逐漸興起，這種樓蓋可以降低樓蓋自重及減少混凝土的用量，因此具有很輕的經(jīng)濟(jì)性能。國內(nèi)外學(xué)者主要針對空心樓蓋方面進(jìn)行了研究。F.Simons[1]對矩形空心進(jìn)行研究，驗證其具有良好的雙向傳力性能。 G.Elliott 通過對環(huán)氧樹脂制作的實心板和圓孔空心板兩種板材模型進(jìn)行彈性試驗[2]，得出二者的剛度系數(shù)近似計算公式，并且通過有限元分析進(jìn)行驗證結(jié)果良好吻合。Teng、Steven等[3-5]設(shè)計了三組預(yù)應(yīng)力空心板試件進(jìn)行加載，試件的破壞形式、變形、荷載-應(yīng)變關(guān)系等數(shù)據(jù)，并與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中類似規(guī)定取值進(jìn)行比對。沈巧智等[6-8]根據(jù)現(xiàn)場試驗條件及實驗過程和所采集數(shù)據(jù)，使用有限元軟件對組合空心樓蓋實際使用狀態(tài)下受力變形性能進(jìn)行靜力分析。沈麗萍[9]等設(shè)計了鋼筋混凝土雙向密肋樓蓋在均布荷載作用下的試驗，得到了樓蓋承載能力、撓度以及各級荷載作用下的最大裂縫寬度等數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果與理論值較吻和。譚貴福[10]就新型裝配整體式雙向密肋空心樓蓋受力性能進(jìn)行了研究，并且強(qiáng)調(diào)了密肋空心樓蓋具有更好的經(jīng)濟(jì)性能。這些研究成果已經(jīng)在實際工程中取得廣泛應(yīng)用，然而，密肋空心板在地鐵車站主體結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的研究較少，因此有必要對此方面進(jìn)行研究。

1? 項目概況

本項目結(jié)合民用建筑結(jié)構(gòu)中密肋空心板結(jié)構(gòu)形式及理論方法，提出在地鐵車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入密肋空心板結(jié)構(gòu)，取代目前的實體框架構(gòu)造，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

密肋空心板結(jié)構(gòu)，去掉了中性軸附近的混凝土，板剛度減小且不影響結(jié)構(gòu)的承載力，可提高結(jié)構(gòu)抗震性能、減小混凝土及鋼筋用量、降低工程造價。但應(yīng)用到車站時，結(jié)構(gòu)荷載類型及大小、傳力體系、板厚、構(gòu)造要求等均與民用建筑有所不同，地鐵密肋空心板設(shè)計尺寸、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及裂縫寬度控制、配筋及抗剪強(qiáng)度等需結(jié)合地鐵車站結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究。項目先期選取車站結(jié)構(gòu)頂板作為研究對象，擬通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗進(jìn)行研究，以解決上述問題。

根據(jù)蘭州市城市軌道交通1號線一期工程西關(guān)什字站車站計算書[11]，以此車站為基準(zhǔn)進(jìn)行分析，車站結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)形式為地下三層雙柱三跨框架結(jié)構(gòu)，該計算書中采用MIDAS建立框架結(jié)構(gòu)，對框架整體抗彎、抗剪以及裂縫寬度進(jìn)行了驗算。本論文選取車站標(biāo)準(zhǔn)斷面28-29軸為研究對象，將車站框架的頂板由實心板更換成空心板。

頂板厚 800mm，中板厚 400mm，底板厚 1000mm。頂、中、底板與內(nèi)襯墻支座處均設(shè)斜托局部加厚。

2? 密肋空心頂板研究

2.1 計算基本假定及原則

①假定結(jié)構(gòu)為小變形量彈性梁，結(jié)構(gòu)為離散足夠多個等厚直桿梁單元，因此本文將所有框架寬度定為1m進(jìn)行研究。

②用布置于各節(jié)點上的彈簧單元來模擬圍巖與車站結(jié)構(gòu)的相互約束;假定彈簧不承受拉力，即不計圍巖與車站結(jié)構(gòu)間的粘結(jié)力;彈簧受壓時的反力即為圍巖對車站結(jié)構(gòu)的彈性抗力。

③計算取兩種工況，根據(jù)相關(guān)規(guī)范選取荷載“基本組合”和“準(zhǔn)永久組合”兩種情況進(jìn)行受力分析。

1）基本組合：覆土荷載+地面超載+側(cè)向水土壓力+結(jié)構(gòu)自重+樓層設(shè)備荷載+樓層人群荷載+底板水壓力;

2）準(zhǔn)永久組合：覆土荷載+地面超載+側(cè)向水土壓力+結(jié)構(gòu)自重+樓層設(shè)備荷載+樓層人群荷載+底板水壓力。

2.2 計算模型

本文采用ANSYS進(jìn)行有限元分析，主體框架頂板、中板、底板、墻以及柱子采用梁單元BEAM3單元，底板與地基采用彈簧單元COMBIN14，彈簧下方全約束，如圖2所示。

2.3 材料模型及參數(shù)

頂板厚800mm，空心內(nèi)膜擬采用規(guī)格為900mm×600mm×500mm的薄壁箱體，肋寬150mm，肋間距1050mm。密肋板布置方法為：離墻邊0.1m處開始放置，離柱子1m處結(jié)束放置。

①混凝土：頂、底板和側(cè)墻混凝土強(qiáng)度等級為 C40，抗?jié)B等級為P10，中板混凝土強(qiáng)度等級為C40，柱混凝土強(qiáng)度等級為C50，素混凝土墊層強(qiáng)度等級為 C20;鋼筋：鋼筋強(qiáng)度等級為HRB400。

②施加荷載與計算書中一致。

1）土壓力。頂板豎向土壓力39kN/m2，頂板位置側(cè)向土壓力13.81kN/m2，底板位置側(cè)向土壓力92.3kN/m2。

2）水壓力。頂板豎向水壓力15kN/m2，頂板位置側(cè)向水壓力15kN/m2，底板位置側(cè)向水壓力：230.4kN/m2，底板豎向水壓力：230.4kN/m2。

3）地面超載。豎向地面超載20kN/m2，側(cè)向地面超載7.08kN/m2。

4）各層所加荷載。物業(yè)底板樓面荷載：20.4kN/m2，車站中板樓面荷載：25.1kN/m2，車站底板樓面荷載：4kN/m2。

2.4 計算結(jié)果分析

圖3和圖4為準(zhǔn)永久組合彎矩和剪力圖，由于彎矩和剪力圖對稱，因此只列出一半的數(shù)據(jù)與原計算書進(jìn)行比較。

頂板跨中彎矩151.3kN·m，柱子處彎矩385.5kN·m，邊墻處彎矩516.9kN·m。

頂板柱子處左邊剪力329.0kN，柱子處左邊剪力363.7kN，邊墻處剪力393kN。

計算書中數(shù)據(jù)如下：

頂板跨中彎矩167kN·m，柱子處彎矩390.3kN·m，邊墻處彎矩542.4kN·m。

頂板柱子處左邊剪力319.0kN，柱子處右邊剪力343.4kN，邊墻處剪力391.1kN。

從彎矩對比來看，更換頂板后的跨中彎矩相比邊墻和柱子減少較多，因為跨中位置是空心板，自重減少，彎矩減少較多，靠近邊墻和柱子處仍為實心板，因此彎矩減少較少。

從剪力對比來看，更換頂板后剪力略微增加，這是由于面積空心板相對實心板面積減少。

通過各項數(shù)據(jù)對比可看出更換空心頂板前后誤差在5%左右，因此可認(rèn)為將車站實心頂板更換成密肋空心板是合理的。

2.5 抗彎驗算

2.5.1 墻邊截面驗算（配筋圖如圖5-a所示）

密肋空心板截面可等效成工字型截面進(jìn)行計算。

①計算受壓區(qū)高度x：

（1）

代入數(shù)據(jù)求得

x？燮？孜b·h0且x<2a′s

②抗彎承載力計算

（2）

代入數(shù)據(jù)求得

墻邊截面最大彎矩為：

滿足抗彎要求。

2.5.2 柱邊截面驗算（配筋圖如圖5-a所示）

①計算受壓區(qū)高度x

代入公式（1）求得x=47.07mm

x？燮？孜b·h0且x<2a′s

②抗彎承載力計算

代入公式（2）求得

柱邊截面最大彎矩為：

滿足抗彎要求。

2.5.3 跨中截面驗算（配筋圖如圖5-b所示）

①計算受壓區(qū)高度x

代入公式（1）求得x=69.98mm

？孜b·h0=388mm? ? 2a′s=105mm

②抗彎承載力計算

代入公式（2）求得

柱邊截面最大彎矩為：

滿足抗彎要求。

2.6 抗彎驗算

1-1截面：

混凝土抗剪承載力：

（3）

代入數(shù)據(jù)得V=881kN

，滿足要求。

2-2截面：

混凝土抗剪承載力

，滿足要求。

3-3截面：

混凝土抗剪承載力

，滿足要求。

4-4截面：

混凝土抗剪承載力

，滿足要求。

5-5截面：

混凝土抗剪承載力

，滿足要求。

3? 結(jié)論

更換頂板后，頂板彎矩和剪力與更換前變化不大，彎矩相對減少，抗彎抗剪也都滿足相應(yīng)要求。因此，將密肋空心板應(yīng)用到地鐵車站頂板中具有一定的可行性。

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