摘要 文章以普速铁路车站新建人行地道为背景，通过计算公式推导、Midas建模分析进行结构配筋设计。采用有限元模型受力计算和公式计算相结合的方法，对下穿铁路人行地道框架结构受力主筋的直径、根数进行设计，并采用框架结构配筋软件验证其准确性，为以后类似的框架结构配筋设计提供一定的参考。

关键词 铁路人行地道;框架结构;有限元模型;配筋设计

中图分类号 U445.57文献标识码 A文章编号 2096-8949（2022）09-0102-04

引言

城市的铁路建设完成后，一般都将城市分割成两个区域，铁路建设时两侧的区域发展并非均衡，因此穿越铁路的通道在铁路建设时期并未充分考虑。近些年来我国经济飞速发展，城市规模在不断地扩大，蓬勃发展的建成区逐渐将铁路及车站包围。城市发展需要交通的引导，铁路两侧区域的连通需要穿越铁路的通道，在道路与铁路交叉穿越形式中，框架结构由于施工简单、结构简易等优点被广泛使用[1]。城市火车站两侧建成区人口密集，铁路车站附近人行流量巨大，车站两端咽喉应设置人行通道，方便周边居民、车站旅客通行，减少绕行。在过去的铁路车站建设中，多数未考虑车站两侧的连通。近些年来下穿既有车站的人行通道建设越来越多，其中人行通道结构配筋的关系到工程安全，应当引起重视。该文结合具体案例，对人行通道结构配筋进行了详细论述。

1 项目背景

淮南站处于安徽省淮南市，为中国铁路上海局集团所管理的二等车站，是淮南铁路、阜淮铁路上的重要站点。淮南站是淮南市最大的铁路客运、货运站，2019年11月改造后新站房正式投入使用。淮南站站北广场与舜耕中路相邻，站南与洞山东路相邻，车站南北两侧均是建设成熟的片区，结合淮南站改建工程，新建地下人行通道与南北道路相连，能够为旅客进出站和四周居民出行带来极大便利，提升整个淮南站的便民服务功能。

该文依托淮南站新建人行地道项目，通过有限元模型计算和公式计算，对人行地道框架结构配筋进行设计，并与设计软件配筋结果对比，能够为以后的类似项目提供参考。

2 计算公式

2.1 计算依据

依据《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB 100092

—2017）中的条文规定，框架结构设计计算采用容许应力法[2]。各材料容许值按以下取用：

混凝土：C40，[σb]=13.5 MPa;钢筋：HRB400：主力时[σs]=210 MPa，主力+附加力时[σs]=270 MPa。

框架结构在进行强度计算时，不考虑混凝土受拉，拉力全部由钢筋承受。

人行地道框架结构顶板和底板取单位宽度按照受弯梁进行计算，边墙取单位宽度按照偏心受压构件进行计算。

2.2 受弯构件计算

受弯构件按双筋矩形梁进行设计，先假设受压、受拉区钢筋面积，然后计算材料应力进行复核。

采用换算截面和内力偶进行计算。受拉区钢筋的换算截面面积为，受压区钢筋的换算截面面积为，换算截面总面积为：。

中性轴通过换算截面的形心，即，可得下式：

（1）

由式（1）可解得：

（2）

式（2）中，;

。

内力偶臂，其中y为压应力的合力D至中性轴的距离，则有：

（3）

式（3）中，Ia——受压区截面对中性轴的惯性矩;Sa——受压区截面对中性轴的静矩。

通过式（1）～（3）可求出钢筋和混凝土应力：

受拉钢筋应力：

混凝土最大压应力：

受压钢筋应力：

2.3 偏心受压构件计算

在容许应力法中，偏心受压构件在计算前需要判断大、小偏心。

如果是小偏心受压，轴向压力作用在截面核心之内（e0≤k），这时截面是全部受压，即中性轴在截面外;如果是大偏心受压，轴向压力作用在截面核心之外（e0>k），这时截面是部分受压、部分受拉，即中性轴在截面内[3]。

经过计算，设计中边墙为大偏心受压构件，可考虑设计按不对称配筋，相关的计算公式及过程如下：

2.3.1 確定中性轴位置（求x）

对轴向压力N的作用点取矩，，得出下式：

（4）

由式（4）得出的关于x的一元三次方程有可能出现平方项，为了求解方便，以y为变量进行代换，令，则有：

（5）

（6）

（7）

将式（5）～（7）代入式（4），简化得出下式：

（8）

式（8）中，

;。

计算得出：

（9）

由上述y值，可求得混凝土受压区高度。

2.3.2 截面应力计算

根据对混凝土截面重心取矩的平衡条件，即0，得出下式：

（10）

由于

，，

代入式（10），可得：

整理后得：

≤ （11）

由应力比例关系得：

≤;≤

上述式（4）～（11）各式中，

N——计算轴向压力;

e——N到混凝土截面重心的距离;

、——分别为受压钢筋、受拉钢筋的面积;

、——分别为的压应力、的拉应力;

、——分别为到、的距离;

、a——分别为、到截面边缘的距离;

g——N至受压边缘的距离;

x——受压区高度;

y——N至中性轴的距离;

——受压区混凝土压应力的合力;

——混凝土受压边缘的最大压应力;

b、h——截面短边、长边的长度。

3 有限元模型计算

设计新建人行地道结构总宽为13.8 m，结构内净宽为12.0 m，边墙厚为0.9 m;结构总高为6.8 m，结构净高为5 m，装修后净高为3.5 m，顶板厚为0.9 m，底板厚为0.9 m;通道总长度约为122 m。结构选用C40混凝土和HRB400钢筋。

3.1 模型建立

框架结构利用Midas Civil软件建立有限元模型，并进行受力分析。顶底板及边墙采用板单元进行模拟，地基采用弹簧单元模拟[1]，取10 m长为计算单位。

框架结构模型施加的荷载包含恒载和活载。其中：恒载包含结构自重、线路设施重、混凝土收缩、土压力、路面重量;活载包含ZKH活载、活载土压力、制动力、行包车荷载和人行荷载[4]。

3.2 内力分析

利用Midas Civil软件对模型进行计算，提取以下三种荷载组合情况下的计算结果：①主力=恒载+ZKH活载+行包车荷载+活载土压力，②主力+附加力=主力+制动力+整体升温，③主力+附加力=主力+制动力+整体降温。

3.2.1 主力作用下计算结果

根据Midas计算结果，提取主力作用下框架结构内力示意图（如图1、图2）。

3.2.2 主力+附加力作用下计算结果

根据Midas计算结果，提取主力+附加力作用下框架结构内力示意图（如图3～6）。

3.2.3 内力结果

根据Midas计算结果，提取顶板、底板和边墙主要截面处的单元内力（弯矩M、剪力V、轴力N）汇总如表1。

3.3 主筋配筋及验证

根据计算公式和Midas模型提取内力，计算框架结构主筋配置直径及根数，计算结果列表如表2。

采用配筋软件铁路框架桥CAD系统对人行地道框架结构进行设计，材料图显示配筋结果：①顶板上缘钢筋为4根?25钢筋，顶板下缘钢筋16根?25钢筋;②底板上缘钢筋为14根?25钢筋，底板下缘钢筋4根?25钢筋;③边墙外侧为12根?25钢筋，边墙内侧为8根?16钢筋。软件计算结果与公式计算结果基本一致，表明有限元模型及公式计算配筋具有一定的准确性和可应用性。

4 结语

该文以新建铁路人行地道设计为基础，通过对受弯构件、偏心受压构件计算公式进行推导，结合Midas有限元模型受力计算，介绍了铁路框架结构配筋设计的方法;并與铁路框架桥配筋软件的设计结果进行对比，计算配筋与软件配筋结果基本一致，验证了计算配筋方法的准确性和可应用性，能够为同类项目的结构设计提供一定的参考。

参考文献

[1]张玮. 铁路斜交框架桥混凝土裂缝成因及控制[J]. 四川建筑， 2009（1）： 203-204.

[2]铁路桥涵混凝土结构设计规范： TB100092—2017[S]. 北京：中国铁道出版社， 2017.

[3]孙元桃. 结构设计原理（第5版）[M]. 北京： 人民交通出版社， 2021.

[4]杨建良. 铁路框构桥设计体会[J]. 铁道标准设计， 2009（3）： 80-82.

收稿日期：2022-03-15

作者简介：杨伟（1990—），男，硕士研究生，工程师，研究方向：桥梁工程。