地铁车站开洞中板受力探讨.doc

1、地铁车站开洞中板受力探讨【摘要】采用有限元分析方法对地铁车站中板开洞后的受力进行分析。通过对比不同的开洞情况，得出了单向板开洞后对洞边板受力及弯矩的影响，为计算洞边梁的受力提供指导。 【关键词】 单向板 开洞板洞边梁板弯矩地铁车站 中图分类号：U231+.4 文献标识码： A 文章编号： 1 概述 地铁车站结构设计中，为满足通风、设备、电力等专业的要求，需要在车站中板相应的位置开设孔洞。同时考虑施工因素，也需要在车站中板开设诸如扶梯孔及盾构吊装孔等较大孔洞。这就使得中板上的洞口数量较多，且孔洞尺寸大小差别较大。这些孔洞的存在，破坏了中板结构的整体性，改变了中板结构的受力特性，从而导致中板在孔洞

2、位置附近应力及弯矩发生变化。在结构设计中需对孔洞周边板的力学特性进行研究，以确定洞口边缘的应力及弯矩，从而对孔洞边缘薄弱处采取一定的加强措施。然而，对于洞边板所承受的荷载，目前尚没有明确的规范算法。设计中，常用的做法是：若孔洞尺寸较小（如强电井、弱电井等） ，则在孔洞四周设置暗梁，若孔洞尺寸较大（如楼梯孔、盾构吊装孔等） ，则在洞口设置次梁。对于洞边梁所承受的荷载范围及大小，目前尚无定论。笔者根据三维有限元分析结果，对地铁车站中板开洞后的受力情况进行分析，并对比开洞前后板周围弯矩的变化，以期得出对结构设计有所借鉴的结论。 2 有限元建模 地铁车站中通常通过施工缝或者诱导缝将中板断开，诱导缝的间

3、距一般在 24m35m 之间，由于中纵梁及侧墙的约束作用，中板可以作为单向板考虑。本文以天津地铁 6 号线某车站中板跨度及诱导缝设置为基础，建模分析中板开洞对中板受力的影响。 2.1 构件参数 中板采用 C35 混凝土，板厚 0.4m。板宽 7.1m，长 30m。用板单元模拟中板。在中板纵向中部（15m 处）分别开设 11.5m、23m 及 34m的孔洞，分析不同尺寸的孔洞对中板受力的影响。同时，将相同尺寸的孔洞分别开设在中纵梁边、距中纵梁 D/4（D 为开洞后剩余板宽度）处及跨中，以此分析对比相同尺寸的孔洞开设在中板不同位置时对中板受力的影响。 2.2 边界约束 由于侧墙及中纵梁的存在限制了

4、中板的位移及转动，因此假定中板在侧墙及中纵梁位置处为固定约束，另外两边自由。 2.3 荷载 根据相关规范，地铁车站中板承受的荷载为设备荷载、人群荷载、装修层荷载等。为使计算具有代表性，本文取中板所受的荷载为均布面荷载，大小取常用值 8kN/m2。 3 结果分析 3.1 无洞板数值模拟结果分析 中板不开洞时数值模拟的应力图如图 1 所示。由图中可以看出，单向板在受到均布压力作用后，按照应力大小可以将板沿横向依次分为支座处高应力区、低应力区、跨中高应力区、低应力区及支座处高应力区5 个应力区如图 1 所示。根据数值模拟结果，得出支座负弯矩值为-33.6kNm，跨中最大弯矩为 16.8kNm，与理论

5、计算结果符合较好。 3.2 开洞板数值模拟结果分析 通过数值模拟发现，在均布压力作用下，当洞口边位于高应力区域时，在洞口尖角部位发生明显的应力集中现象；当洞口边靠近低应力区域时，洞口尖角部位发生应力集中现象不明显，这是因为开洞后低应力区的应力向洞口尖角处集中，但由于其值较小，在应力集中位置所产生的应力值也偏小；当洞口边位于低应力区时，由于应力集中的原因，支座处高应力区的应力会向洞口尖角处转移，因此也能形成明显的应力集中现象。如图 2 所示。根据相关学者的研究，应力集中的范围不会超过洞口角部 0.1L（L 为板跨度）1，因此当洞口宽度大于 0.1L 时，应力集中的范围随洞口宽度的增大变化不明显。

6、 由于开洞后洞口处发生了应力集中，必然引起洞口附近板的弯矩发生改变。模拟结果显示，与板纵向平行的洞口边板弯矩值变化较小，不起控制作用。与板纵向垂直的洞口边板的弯矩变化较大，对结构设计起控制作用。以下主要对垂直于板纵向的板弯矩进行研究。根据数值模拟结果，绘制出洞口边缘板的弯矩图如图 3 所示。 a）11.5m 洞口 b）23m 洞口 c）34m 洞口 图 3 开洞板弯矩图 由图 3 可以看出，当洞口一侧位于支座处高应力区时，会在洞口角部产生明显的弯矩增大现象；当洞口一侧位于跨中 L/4（L 为板跨度）宽的区域时，也会产生明显的弯矩增大现象。 当洞口距板边最近距离为 L/33L/8（L 为板跨度）

7、时，由于应力集中作用，板低应力区的应力向洞口角部集中，但应力集中后的应力值仍小于未开洞时板的应力值，从而使开洞角部的弯矩减小，而另外一边的弯矩与其所处位置有关。 当洞口全部位于跨中正弯矩区时，会引起两侧支座负弯矩不同程度的减小，开洞越大，负弯矩减小越大，而跨中正弯矩的改变则与开洞尺寸有关系。这是因为开洞后，板承受的荷载面积减小，从而造成弯矩减小，而在洞口附近产生的应力集中又会使板弯矩增大。当荷载减小的影响大于应力集中的影响时，跨中弯矩减小，反之，跨中弯矩则增加。表1 给出了开洞尺寸及位置变化时对板弯矩的影响。 表 1 板弯矩表 根据模拟结果发现，洞口宽度对板弯矩影响较小，对板弯矩起控制作用的为

8、洞口的高度，这与代伟等人研究的双向板受力有所不同2。当洞口位于支座边时，支座负弯矩由于应力集中而增大，但影响范围很小。随着洞口高度的增大，支座负弯矩也随之增大，但当洞口高度达到一定尺寸后（约 0.42L） ，支座负弯矩增加达到峰值，超过这个尺寸后，当洞口高度继续增大时，支座负弯矩反而降低。由表 1 可看出，支座负弯矩由于开洞而增大的值不超过不开洞时的 17%，设计时，在保证安全的前提下，为方便计算，可取不开洞时板支座负弯矩的 1.2 倍计算开洞时的支座负弯矩。 当洞口一边位于跨中 L/4（L 为板跨度）宽的区域，而另一边不在该区域时，由表 1 可以看出，弯矩最大可增至开洞前的 1.4 倍。设计

9、时，考虑安全因素，可取开洞前弯矩的 1.5 倍。 当洞口全部位于跨中正弯矩区时，若洞口高度大于 0.42L，板跨中弯矩将小于未开洞时的弯矩，但差别不大。安全起见，建议按未开洞板弯矩进行设计；若洞口高度小于 0.42L，跨中弯矩将大于未开洞时板跨中弯矩，根据表 1 的结果，设计时可取为未开洞板跨中弯矩的 1.2 倍。 由以上计算及分析可以看出，地铁中板开洞后对板弯矩影响较大，但由于中板荷载相对较小，厚度相对较大，根据蒋盛钢3等人的研究，地铁车站开洞板应优先考虑设置暗梁，暗梁不能满足要求时再设置明梁。4 结论 （1）当洞口一侧距离板边 0L/3 时，会产生较明显的应力集中现象，支座处板的负弯矩可按

10、未开洞时的 1.2 倍计算。 （2）当洞口一侧距板边最近距离为 L/33L/8（L 为板跨度）时，洞口该边角部的弯矩减小，另外一边弯矩大小与其位置有关。 （3）当洞口一侧距离板边 3L/8L/2 时，会产生较明显的应力集中现象，跨中弯矩可按未开洞时的 1.5 倍计算。 （4）当洞口位于跨中正弯矩区时，会引起支座负弯矩减小，开洞越大，负弯矩减小越多。跨中正弯矩与开洞尺寸有关，当洞口尺寸小于0.42L 时，跨中正弯矩可按未开洞时的 1.2 倍计算，当洞口尺寸大于0.42L 时，可按未开洞时板弯矩计算。 参考文献： 1王晓东.开洞板洞口周边弹性加强探讨J.安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2006,04:6-10. 2代伟,熊峰. 结构设计中开洞板的不同处理办法J. 四川建筑,2007,03:153-154+157 3蒋盛钢. 地铁车站中板洞口梁的探讨分析J. 山西建筑,2012,09:46-47.