林 蓼

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥高级工程师）

1 某地铁出入口概况

地铁设计时，应根据消防疏散规定设置出入口宽度。对正常的客流条件，出入口6m净宽已经完全能够满足消防疏散的要求。

近年来，地下空间开发的力度不断加大，大型商业如超级市场、影剧院等人流大的公共建筑也积极与地铁结构接口，因而地铁出入口接口宽度不断增加。出入口加宽，对结构受力的要求也相应提高，如何保证出入口接口位置结构的安全性及长期使用的适用性，成为设计时必须考虑的重要问题。

某地铁出入口，与邻近的高层建筑群地下室连通，而该建筑群所在小区，为10万人口的大型商住社区，其居住及商业客流量大。根据地铁消防疏散规定计算，出入口接口宽度取6m即可。考虑出入口接口与社区地下商场空间尺度配合，以及社区内商业吸引大量周边客流的影响，将接口位置净宽度加宽至10m。

为保证结构正常使用并满足规范要求，以及便于管理分割，设置了变形缝，将两侧建筑完全分离。在地铁出入口接口位置，因出入口高度比地铁车站站厅小，上方覆土深度超过5m，对接口位置结构梁板受力极为不利。出入口结构平面布置如图1所示。

图1 出入口结构平面布置图

以需要重点关注的接口梁纵向作为X方向，板平面内与接口梁垂直方向为Y方向，竖直方向为Z方向。

2 出入口接口梁平面简化计算

根据平面简化计算原理，将地铁出入口接口处大跨度梁按照两端固结考虑，荷载可以近似按照双向板分布理论施加，详见图2。

按照平面简化计算分析，此位置的接口梁需要承受很大的扭矩作用。采用平面简化计算得到的接口顶梁弯矩、扭矩及剪力简图如图3～5所示。接口顶梁的内力设计值如表1所示。

表1 接口顶梁内力设计值（简化计算）

因根据内力计算结果，接口梁为满足混凝土规范对截面的要求，所取截面尺度大，抗扭需要的箍筋、纵筋数量多，实施难度大，造价高。

为考虑实际受力情况，得到合理的结构形式，采用空间计算模型对出入口接口位置进行数值计算分析，以便有效模拟实际受力及变形状况，得到真实的构件内力，以用于指导设计工作。

3 空间模型计算理论

地铁结构中，板及侧墙可采用板壳单元模拟，梁、柱等采用三维框架单元模拟。本空间模型计算采用SAP84软件。

SAP84软件的框架单元理论模型是Timoshenko梁与拉压杆的组合。它允许有轴向拉压变形、轴向扭转变形，并具有剪切作用的弯曲变形，每个端点可以有6个自由度。板壳单元是4节点非协调单元，是平面应力膜与板的叠加。板壳单元每个节点具有6个自由度，其中3个是膜自由度（u，v，θz），3个是板自由度（θx，θy，w），故每个板壳单元共有24个自由度。采用这种单元，可以使一个含有多种类型单元结构中的壳和其它单元很好地连接起来，而不需要任何附加的约束条件。

地铁结构中的顶、中、底板及侧墙厚度较大，而一般薄板理论基于Kipchhoff假定忽略了板的剪应力τyz、τxz所引起的形变。此处使用薄板理论存在一定问题，故需采用Mindlin的中厚板理论，该理论的假定如下：①板弯曲时，中面不产生应变，即中面为中性面。②忽略板厚度的微小变化，忽略应力σz对变形影响。

4 空间模型数值分析

根据出入口接口位置的结构形式，采用SAP846.5版程序，建立空间计算模型，得到出入口接口范围板、墙、柱、梁构件的受力状况。

4.1 模型的建立

顶、底板及各侧墙作为板壳单元，接口位置梁、柱作为三维框架单元，按照相接节点位移（3平动，3转动）相同与板壳单元连接。土体对出入口结构的水平约束以垂直于侧墙的水平弹簧约束模拟，底板下土体的垂直约束以节点受压弹簧模拟。在空间计算模式下，能有效反映结构构件间的空间共同作用，可以充分考虑板、梁变形及侧墙弯曲变形的影响，故接近实际结构受力状况。

计算模型为减少单元及缩短计算时间，模型中不建立围护结构的单元。考虑围护结构承受一定土压力，即按照侧墙与围护结构刚度分配来折算作用于侧墙的土的侧压力，水的侧压力全部作用于侧墙。另外，为简化模型，人防段内集水井未予反映。

按照建筑布置的出入口形式建立空间计算模型如图6。

图6 空间计算模型简图

4.2 计算荷载

相关计算荷载有：

1）恒载——顶板覆土、结构自重、底板水浮力、侧向水土压力等。

2）活载——地面车载、人群荷载等。

3）偶然荷载——地震荷载、人防荷载等。

4.3 材料参数

结构受力构件均为C30钢筋混凝土。

5 空间模型计算结果

通过有限元数值计算结果表明，人防荷载及地震荷载作用下结构受力不是控制性工况。正常使用极限状态的抗裂及承载能力极限状态的强度为结构控制性工况。在模型建立时，以右手螺旋y方向为弯矩Mxx方向，以右手螺旋x方向为弯矩Myy方向。根据这一分析，得到顶板的弯矩Mxx及Myy计算结果，如图7、8所示。图7、8中可以看到，接口顶梁支座附近存在较大应力集中现象。

图7 出入口顶板Mxx弯矩云图

接口顶梁的弯矩Myy、扭矩Myz及剪力Vzz图形如图9～11所示。

6 计算结果对比分析

采用空间模型计算和采用平面模型简化计算的结果对比如表2（仅列出出入口接口顶梁计算结果）。对比空间模型和平面简化模型计算的内力图及内力计算结果，大跨度接口梁的内力有很大差别：

表2 接口顶梁内力计算值对比

1）空间模型计算结果中，接口梁的弯矩更接近简支梁。例如顶梁的跨中弯矩大，达9 435kN·m，而支座处弯矩绝对值大小仅为跨中处弯矩的1/4。

2）空间模型计算结果中，接口梁的扭矩远小于平面简化模型的计算结果，仅为平面简化计算结果的1/10。

3）空间模型计算结果中，接口梁的扭矩及剪力出现不对称情况，与平面简化计算结果内力对称布置不同。

分析出现计算值差异的原因主要有以下几个：

1）接口梁尺寸大，而墙体、板的厚度同样较大，梁墙刚度比较接近，墙体不能视为梁的固定支座。当墙体（作为梁支座）出现微小的转动变形，相应引起梁的支座弯矩、剪力较平面简化计算减小较多，弯矩图接近简支梁情况。

2）板厚较大，对接口梁的约束作用不能忽略，对梁的受扭、受剪有较大影响，引起梁扭转及剪力较平面简化计算减小较多。

3）在结构体系中，出入口结构的板墙布置为非对称形式，相应与接口梁连接的板墙刚度不同，导致接口梁两端的扭矩、剪力对应有所差异。

综合各方面因素分析，空间模型有限元分析计算得到的结果更加接近真实受力状态。对大跨度接口梁的实际受力情况，采用平面简化模型将导致以下问题：

1）结构尺寸过大，配筋量偏大，尤其是抗扭配筋偏大过多；

2）顶梁跨中位置的内力计算值过小，而支座位置的内力计算值偏大，错误采用平面简化模型的计算结果将降低实际结构的安全度。

7 结语

1）因为平面简化计算方法不能正确反映大跨度接口梁的结构内力状态，应采用接近实际情况的空间计算模型分析。

2）由大跨度出入口接口梁的空间计算模型分析可知，扭矩较小，不是接口梁受力的控制性因素。

3）大跨度出入口接口梁支座处弯矩小，而跨中弯矩大，接近简支梁的受力情况。

4）建议对大跨度接口梁受力状态进行专题研究，对跨度、覆土厚度、梁板墙构件尺寸等对接口梁内力的影响作进一步详细研究，得到更加接近真实情况的内力计算简化公式，以指导设计工作。

［1］GB 50157—2003地铁设计规范［S］.

［2］GB 50010—2002混凝土结构设计规范［S］.

［3］李兴高，张弥.地铁车站结构内力计算中的问题［J］.都市快轨交通，2005，18（5）：31.

［4］施仲衡.地下铁道设计与施工［M］.西安：陕西科学技术出版社，1997.

［5］周小华.地铁车站箱形结构计算浅析［J］.铁道建筑技术，2003（2），14.

［6］丁春林.含结构节点的地铁车站空间受力分析［J］.地下空间，2003，23（3），281.

［7］刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.2版.北京：中国建筑工程出版社，2009.