地铁车站结构计算课件.ppt

地铁车站计算,提纲,明挖结构一、围护结构计算二、主体结构计算 暗挖结构一、常见结构型式及施工方法二、结构计算,明挖结构一、围护结构计算二、主体结构计算,围护结构计算常用软件有：理正深基坑、同济启明星、SAP84等。以及一些地方软件如武汉地区的天汉软件等。,（一）常用计算软件,一、围护结构计算,明挖结构,以上基坑计算软件的原理：围护结构按平面问题进行分析，取“荷载-结构”模式，采用弹性有限元法进行计算。计算按“增量法”原理模拟施工开挖、支撑和回筑的全过程进行；地基与围护结构的共同作用采用水土压力及一系列不能受拉的弹簧进行模拟。增量法的基本原理：每一施工步骤的外荷载和所求得的结构位移、内力都是相对于前一阶段完成后的增量。本步的增量位移、内力需与之前的所有阶段的增量位移、内力叠加后方可得到本步完成后结构的实际位移、内力。,（二）基本原理,一、围护结构计算,明挖结构,设：第一步的增量位移、内力结果为R1 第二步的增量位移、内力结果为R2第n步的增量位移、内力结果为Rn则：第一步的位移、内力结果为R1=R1 第二步的位移、内力结果为R2=R1+R2=R1+R2第n步的位移、内力结果为 Rn=Rn-1+Rn=R1+R2+R3+Rn-1+Rn,（二）基本原理,一、围护结构计算,明挖结构,（三）施工步骤,一、围护结构计算,施工步骤的书写应与计算工况、计算图式一致，应正确理解“先变形、后支撑”的含义。（以地下二层、四道支撑的明挖车站的施工步骤为例）1.dwg,通俗地讲，每一次开挖以后支撑不可能马上设置好。如钢支撑需要吊运、拼接、起吊、顶紧；混凝土支撑需要绑扎钢筋、立模板、浇筑混凝土、养护。这些都需要比较长的时间，围护结构内力、位移的大部分发生在这个时间段里。正是因为每次开挖以后支撑不能及时设置，才有了“先变形、后支撑”。每一步的计算工况是指该步开挖完成，支撑即将设置还未设置时的状况。,明挖结构,（四）计算图式,一、围护结构计算,（以地下二层、四道支撑明挖车站开挖阶段为例）,从图中可以看出，每一步所施加的荷载均是相对于前一阶段完成后的增量；每一步的计算图式均与该步的工况一致，也与施工步骤一致。,明挖结构,（五）计算荷载,一、围护结构计算,明挖结构,（五）计算荷载,一、围护结构计算,以上荷载中，土压力是地铁车站承受的主要荷载，其选用是否得当关系到结构的安全度。土压力有主动土压力Ea、被动土压力Ep、静止土压力E0之分，三者大小关系：EaE0 Ep土压力的选取：a、合算的规定：施工阶段：对粘性土层采用水土合算，对砂层采用水土分算。但有地区经验时可以全部采用水土合算。使用阶段：一律采用水土分算。b、侧压力的选用：施工阶段：一般采用主动土压力，对变形有严格要求时采用静止土压力。使用阶段：采用静止土压力。,明挖结构,（五）计算荷载,一、围护结构计算,c、侧压力的计算：水土侧压力有三种模式：矩形土压力、三角形土压力、经验土压力。矩形土压力、三角形土压力按郎肯（朗金）土压力理论计算。其中三角形土压力很少采用，多数采用矩形土压力和经验土压力。,矩形土压力,三角形土压力,矩形土压力按郎肯（朗金）土压力理论计算。经验土压力=经验土压力系数x土体竖向应力。,明挖结构,对于盖挖顺筑、盖挖逆筑、或非长条形基坑的围护结构，需要正确模拟支撑或结构板的刚度，计算方法同前。,（六）其他形式的围护计算,一、围护结构计算,明挖结构,（一）结构型式,二、主体结构计算,根据围护结构与主体结构的关系，主体结构侧墙可有单一墙、叠合墙、复合墙、临时墙四种形式。（1）单一墙：围护结构直接作为主体结构侧墙，不另作参与结构受力的内衬墙。围护结构应采用连续墙，且槽段之间的接头需做特殊处理。由于单一墙的结构耐久性不能得到保证，现在已经很少采用。（2）叠合墙：围护结构作为主体结构侧墙的一部分，与内衬墙组成叠合式结构，通过结构和施工措施，保证叠合面的剪力传递。围护结构多采用连续墙，在连续墙对应于内衬结构板的位置预埋钢筋接驳器以保证围护与主体结构顶、底板、楼板节点的刚接，并对连续墙与内衬墙的接触面做凿毛处理或设置足够的连接筋。,明挖结构,（一）结构型式,二、主体结构计算,（3）复合墙：围护结构作为主体结构侧墙的一部分，与内衬墙组成复合式结构，墙面之间不能传递剪力、弯矩，只传递法向压力。此时，围护结构可采用钻孔桩、连续墙等。（4）临时墙：围护结构仅作为施工期的临时支挡，使用阶段侧向荷载全部由内衬墙承受。此时，围护结构型式有放坡开挖、重力式挡墙、土钉墙支护、SMW桩支护、以及其他类型的临时支护。其中，复合墙结构应用最为广泛；叠合墙结构在上海市应用比较普遍，也可用于逆筑法施工的地下结构。,明挖结构,（二）计算图式,二、主体结构计算,围护结构与主体结构侧墙之间采用受压连杆模拟。侧向荷载：围护结构承受水土分算的静止土压力，内衬墙承受静水压力。（常见错误：把内衬墙与围护剥离开来，单独承受静水压力。）,复合墙计算图式,明挖结构,（二）计算图式,二、主体结构计算,连续墙作为主体结构侧墙的一部分，叠合后将二者视为整体墙。侧向荷载：围护和内衬墙共同承受水土分算的静止土压力+水压力。（单一墙计算图式类似叠合墙）,叠合墙计算图式,明挖结构,（二）计算图式,二、主体结构计算,侧向荷载：内衬墙承受水土分算的静止土压力+水压力。,临时墙计算图式,明挖结构,（二）计算图式-柱尺寸的输入,二、主体结构计算,沿车子纵向取1米按横向框架计算时，由于柱子主要承受轴力作用，弯矩很小，因此输入软件里的柱尺寸按等截面积折算到每延米上。如左图中柱横向尺寸h，纵向尺寸b，柱跨为L。输入软件的柱尺寸：h=图中的h b=图中的b/L,明挖结构,（三）计算荷载及组合,二、主体结构计算,明挖结构,荷载（略）,荷载分项组合系数,（四）板墙配筋,二、主体结构计算,明挖结构,根据计算的弯矩、轴力、剪力进行板墙的主筋及支座附近的箍筋配置。1、板墙主筋：一般地，顶、底板按纯弯构件配筋，楼板按压弯构件配筋，侧墙按纯弯构件配筋。2、板墙支座附近的箍筋：单肢箍与拉筋的异同点：拉筋和单肢箍的钢筋形状相同，都具有抗剪作用。但拉筋仅为构造要求，单肢箍需按抗剪计算确定；拉筋要求拉住两个方向上的钢筋，而单肢箍仅要求拉住主筋。板墙内单肢箍计算方法：将板墙视为宽度为1米，高度分别为板墙厚度的梁，按梁箍筋的计算方法进行板墙内的单肢箍计算。3、对裂缝宽度限值（控制值）的理解：地铁车站一般要求外侧的裂缝宽度限值0.2mm，内侧的裂缝宽度限值0.3mm。即要求裂缝宽度计算值应接近限值，但不超过限值。并非裂缝宽度越小越好，否则设计就失去了控制。,（五）纵梁计算,二、主体结构计算,由于上述方法采用的是平面计算，可以得到横向构件板墙柱（每延米）的内力、位移，无法得到纵梁这些纵向构件的计算结果，因此纵梁需另行计算。常用5跨连续梁进行计算。,明挖结构,纵梁计算图式,（五）纵梁计算-梁上荷载,二、主体结构计算,断面计算的轴力图（KN/m）,明挖结构,根据前面断面计算的柱上轴力，可得到纵梁荷载q：顶纵梁荷载q=N1 底纵梁荷载q=N4 楼板梁荷载q=N3-N2,（六）抗浮计算,二、主体结构计算,明挖结构,计算结构自重+覆土重、结构所受的浮力，并计算两者的比值K。（抗浮安全系数1.05）,不满足,计入围护结构的浮重，计算K。（抗浮安全系数1.05）,不满足,计入围护结构的浮重+侧壁摩阻力，计算K。（抗浮安全系数1.15）,不满足,设抗拔桩计算。主体+围护浮重+侧摩阻力+抗拔力，抗浮安全系数取1.15。,满足,结束,满足,满足,抗浮计算一般流程,当分段进行抗浮计算时，各段的计算标准应统一。,（六）抗浮计算,二、主体结构计算,抗浮计算常见问题：1、覆土重量计算：常见错误:地下水位以下的土容重不取浮容重。2、结构所受浮力计算：常见错误:浮力计算时高度取h3+h2。错误的原因：误以为土受到的浮力等于土所排出水的重量。带来的问题是：覆土厚度越大，误差越大。当按正确方法计算的抗浮安全系数小于1时，覆土厚度越大越危险。正确的计算：地下水位以上的填土重量=h1地下水位以下的填土重量=（-10）h2（为填土的天然容重，10为水的容重）结构所受浮力=等于结构排出水的重量=W h3 10（W为结构宽度、h3为结构高度）,明挖结构,当设置压顶梁，考虑围护结构压重时，地下水位以下的围护结构重量应采用浮重。,（七）几点说明,二、主体结构计算,明挖结构,1、严格地说，主体结构也应模拟开挖、回筑的全过程，按增量法进行计算。经比较主体结构采用一次加载计算的结果与采用增量法计算的结果，两者差别不大，计算结果都可用于设计。因此，主体结构可以采用一次加载计算。2、主体结构计算时，可以不分恒载、活载，统一按标准值输入结构模型一次加载计算，得到内力的标准值。近似地用此标准值乘以结构重要性系数（1.1）乘以荷载分项系数（1.35）得到内力设计值。按此处理得到的计算结果能满足安全、经济的要求，已为多数设计院采纳。3、空间结构的设计一般需要基于断面计算的结果做调整。但是应进行必要的空间分析，以校核结构的安全性。4、地铁车站结构应视为板式框架结构，板墙配筋及节点的配筋构造应等同框架。,暗挖结构一、常见结构型式及施工方法二、结构计算,一、常见结构型式及施工方法,暗挖结构,暗挖法主要有盾构法、顶进法、矿山法。在此，暗挖法特指矿山法。采用矿山法需要考虑以下几个方面：1、施工时不允许干扰路面交通，或因埋深过大，或因拆迁过多，采用明、盖挖法非常不经济。2、在埋深较大的硬质围岩地层，矿山法有较好的适应性。3、在第四系的松散地层中用矿山法修建地铁车站时，必须与明、盖挖方案进行全面比较，经充分论证后采用。4、在饱和软土地层中无法疏干地下水，或即使进行预加固预处理，加固后的自稳性仍很差时，可认为不适宜采用矿山法，如上海等地区。总之，围岩是否有足够的自稳能力，是能否采用暗挖法的关键。,暗挖结构,（1）单层单洞式车站,岛式站台车站,侧式站台车站,单层单洞式车站有岛式站台和侧式站台两种，需设置斜通道或横通道连接站厅层。,1）常见结构型式,一、常见结构型式及施工方法,暗挖结构,（2）单层双洞分离式车站,（3）单层三洞分离式车站,这两种车站一般为分离岛式，需在站台层每隔一定距离设置横通道联系两个分离的站台，并需设置斜通道连接站厅层。,一、常见结构型式及施工方法,1）常见结构型式,暗挖结构,（4）单层双拱式车站,岛式站台车站,侧式站台车站,单层双拱式车站有岛式站台和侧式站台两种，需另考虑进出站台的途径。,一、常见结构型式及施工方法,1）常见结构型式,暗挖结构,（5）单层三拱式车站,此种车站一般为岛式站台。,一、常见结构型式及施工方法,1）常见结构型式,暗挖结构,（6）单层单洞+双层单洞式车站,此种车站一般为分离岛式站台，需在站台层每隔一定距离设置横通道联系两个分离的站台。双层隧道的上层可作为乘客通道或站厅层。,一、常见结构型式及施工方法,1）常见结构型式,暗挖结构,（7）双层双跨车站,双层双跨车站适用于围岩条件较好的地段，在软岩、土质地层中采用，应有可靠的辅助措施，并经过充分的可行性分析与论证。,一、常见结构型式及施工方法,1）常见结构型式,暗挖结构,（8）双层三跨车站,双层三跨车站适用于围岩条件较好的地段，在软岩、土质地层中采用，应有可靠的辅助措施，并经过充分的可行性分析与论证。,一、常见结构型式及施工方法,1）常见结构型式,暗挖结构,（9）双层单拱车站,双层单拱车站适用于围岩条件较好的地段，不适用于在软岩、土质地层中采用。,总之，暗挖车站根据站址的建筑物、地下管线、地质情况、线路条件、功能要求等因素，结构型式可以灵活多样，在此不胜枚举。,一、常见结构型式及施工方法,1）常见结构型式,暗挖结构,2）施工方法,一、常见结构型式及施工方法,暗挖结构,2）施工方法,一、常见结构型式及施工方法,二、结构计算,暗挖结构,暗挖结构采用的计算方法可以归纳为四种：经验类比法（或工程类比法）地层-结构模型（或连续介质模型）约束-收敛模型 荷载-结构模型,（一）常用计算方法,（一）常用计算方法,二、结构计算,暗挖结构,四种模型各有适用条件及优缺点：1、经验类比法 由于地下结构受到多种因素的影响，按理论计算的结果常与工程实际有较大的差别，即使受力分析采用了比较严密的理论，计算结果也需要用经验类比法进行补充和判断，可以认为隧道设计是一种基于经验的技术，故“经验类比法”仍占有重要的地位。在暗挖结构设计中，初期支护设计主要采用经验类比法。2、地层-结构模型 又称连续介质模型，是将地层和结构视为共同受力的统一体，可以分别计算衬砌和地层的内力，从而验算地层的稳定性和进行结构设计。通常有数值解法和解析解法两类。从理论上讲，此种模型最为合理，但由于实际问题的复杂性，只有小部分问题取得了解析解，而大部分问题只能依赖数值解。数值解使用最多的是有限元。有限元本身严密精确，但由于岩土本构关系复杂、岩土计算参数取值的不精确性以及其结果难以验证，使有限元计算结果不能在工程中得到直接应用，只能作为设计的定性参考。,二、结构计算,暗挖结构,在较重要的工程中，常采用地层-结构模型定性分析结构的安全性、施工方法的可行性和地面沉降。3、约束-收敛模型 以收敛量测数据为依据的反分析法，其结果的可靠程度完全依赖于测试数据的可靠程度。因此，收敛基准点的设置、高精度量测工具和量测技术的采用都是非常重要的。此法的原理还不完善，存在许多问题也难以解决（如地层和衬砌的响应曲线无法正确确定），使得该方法只能停留在定性的描述阶段，实际设计中很少采用。4、荷载-结构模型 是地下工程设计中使用最多的一种方法，我国现行地铁设计规范、铁路隧道设计规范也均推荐采用。采用这种计算模型，具有明确的受力概念及安全系数评估方法。在地下工程设计中，除确有可借鉴的工程经验进行类比，一般都要进行受力分析。暗挖结构中，大多采用荷载-结构模式分析二次衬砌，有时也用于分析初期支护。,（一）常用计算方法,（二）荷载-结构模型,二、结构计算,暗挖结构,根据地层对结构的约束能力，荷载-结构模式又分为“自由变形法”、“径向反力法”、“径向切向反力法”三种。三种模型中“自由变形法”最为简单，“径向和切向反力法”最为复杂，计算精度从“自由变形法”到“径向和切向反力法”越来越高。（1）“自由变形法”认为结构处于自由变形状态，结构所承受的荷载只考虑土体的竖向和水平压力、结构自重、竖向匀布的地基反力，不考虑地层对结构的弹性反力作用。,自由变形法计算图式,1）荷载-结构模型分类,二、结构计算,暗挖结构,（2）“径向反力法”认为结构在外荷载作用下向地层发生位移时，地层会提供沿结构径向的弹性反力，但不考虑地层对结构的切向摩擦力作用。在计算模型中，结构外侧采用径向的受压弹簧模拟地层对结构的弹性反力作用。,径向反力法计算图式,（二）荷载-结构模型,1）荷载-结构模型分类,二、结构计算,暗挖结构,（3）“径向切向反力法”认为结构在外荷载作用下向地层发生位移时，除考虑沿结构径向的弹性反力，还考虑地层对结构的切向摩擦力作用。在计算模型中，结构外侧采用径向和切向弹簧分别模拟地层对结构的径向和切向的作用。,径向切向反力法计算图式,（二）荷载-结构模型,1）荷载-结构模型分类,二、结构计算,暗挖结构,从上述计算图式中可以看出，地层对结构的弹性反力假定对计算结果的影响较大，因此如何合理地假定地层对结构的弹性反力，是结构计算的关键之一，在设计中应予足够重视。,（二）荷载-结构模型,二、结构计算,暗挖结构,一般来说，均可以采用总和法即一次加载计算；“径向切向反力法”适用于所有地层；在级围岩中，推荐采用“径向反力法”计算模型；在级围岩中，推荐采用“自由变形法”模型。说明：选取“自由变形法”或“径向反力法”模型并不是因为该模型更接近实际情况，而是因为在这种地层中，其计算结果与采用“径向切向反力法”极为接近，较为保守，且计算过程简单。,（二）荷载-结构模型,2）计算方法的选择,二、结构计算,暗挖结构,暗挖结构的修建是一个分布实施的过程，二次衬砌可能在全断面开挖完成初支全部做好以后施工，也可能在部分断面开挖完成和初支做好以后施工。无论采用什么施工方法，使用阶段地铁车站的二衬均按承受全部的荷载考虑，不考虑初支的作用。,（三）暗挖结构的受力特点,结束，谢谢！,