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地铁车站密肋空心顶板分析研究

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李琪　李盛　王尹鹤

摘要：在地铁车站建设中车站主体结构主要以钢筋混凝土实体框架结构为主，该结构混凝土和钢筋用量多，自重大，造价较高，为了减少混凝土用量和自重，通过数值模拟，将车站顶板由实心板改为密肋空心板进行分析，研究了更换顶板后顶板的受力情况，以及配筋能否通过。结果表明，更换顶板后顶板弯矩变化不大，抗弯抗剪也能满足规范要求。建议密肋空心板可适用于地铁车站顶板中。

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.

關键词：密肋空心板;地铁车站主体框架;配筋

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

中图分类号：TU755? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2019）33-0268-04

0? 引言

近年来，随着我国经济的快速发展，地铁在人口密度大、交通堵塞的城市得到了广泛应用。而我国的地铁建设工程中，地铁车站主体结构主要以钢筋混凝土实体框架结构为主，该结构混凝土和钢筋用量多，自重大，造价较高。因此，对车站主体结构优化的研究具有一定的实际意义。

空心楼盖的相关研究分析和工程应用从二十世纪九十年代在我国逐渐兴起，这种楼盖可以降低楼盖自重及减少混凝土的用量，因此具有很轻的经济性能。国内外学者主要针对空心楼盖方面进行了研究。F.Simons[1]对矩形空心进行研究，验证其具有良好的双向传力性能。 G.Elliott 通过对环氧树脂制作的实心板和圆孔空心板两种板材模型进行弹性试验[2]，得出二者的刚度系数近似计算公式，并且通过有限元分析进行验证结果良好吻合。Teng、Steven等[3-5]设计了三组预应力空心板试件进行加载，试件的破坏形式、变形、荷载-应变关系等数据，并与相关标准中类似规定取值进行比对。沈巧智等[6-8]根据现场试验条件及实验过程和所采集数据，使用有限元软件对组合空心楼盖实际使用状态下受力变形性能进行静力分析。沈丽萍[9]等设计了钢筋混凝土双向密肋楼盖在均布荷载作用下的试验，得到了楼盖承载能力、挠度以及各级荷载作用下的最大裂缝宽度等数据，试验结果与理论值较吻和。谭贵福[10]就新型装配整体式双向密肋空心楼盖受力性能进行了研究，并且强调了密肋空心楼盖具有更好的经济性能。这些研究成果已经在实际工程中取得广泛应用，然而，密肋空心板在地铁车站主体结构上应用的研究较少，因此有必要对此方面进行研究。

1? 项目概况

本项目结合民用建筑结构中密肋空心板结构形式及理论方法，提出在地铁车站主体结构设计中引入密肋空心板结构，取代目前的实体框架构造，优化结构设计。

密肋空心板结构，去掉了中性轴附近的混凝土，板刚度减小且不影响结构的承载力，可提高结构抗震性能、减小混凝土及钢筋用量、降低工程造价。但应用到车站时，结构荷载类型及大小、传力体系、板厚、构造要求等均与民用建筑有所不同，地铁密肋空心板设计尺寸、结构内力、变形及裂缝宽度控制、配筋及抗剪强度等需结合地铁车站结构的受力特性进行系统的研究。项目先期选取车站结构顶板作为研究对象，拟通过理论分析、数值模拟和试验进行研究，以解决上述问题。

根据兰州市城市轨道交通1号线一期工程西关什字站车站计算书[11]，以此车站为基准进行分析，车站结构标准段结构形式为地下三层双柱三跨框架结构，该计算书中采用MIDAS建立框架结构，对框架整体抗弯、抗剪以及裂缝宽度进行了验算。本论文选取车站标准断面28-29轴为研究对象，将车站框架的顶板由实心板更换成空心板。

顶板厚 800mm，中板厚 400mm，底板厚 1000mm。顶、中、底板与内衬墙支座处均设斜托局部加厚。

2? 密肋空心顶板研究

2.1 计算基本假定及原则

①假定结构为小变形量弹性梁，结构为离散足够多个等厚直杆梁单元，因此本文将所有框架宽度定为1m进行研究。

②用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与车站结构的相互约束;假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与车站结构间的粘结力;弹簧受压时的反力即为围岩对车站结构的弹性抗力。

③计算取两种工况，根据相关规范选取荷载“基本组合”和“准永久组合”两种情况进行受力分析。

1）基本组合：覆土荷载+地面超载+侧向水土压力+结构自重+楼层设备荷载+楼层人群荷载+底板水压力;

2）准永久组合：覆土荷载+地面超载+侧向水土压力+结构自重+楼层设备荷载+楼层人群荷载+底板水压力。

2.2 计算模型

本文采用ANSYS进行有限元分析，主体框架顶板、中板、底板、墙以及柱子采用梁单元BEAM3单元，底板与地基采用弹簧单元COMBIN14，弹簧下方全约束，如图2所示。

2.3 材料模型及参数

顶板厚800mm，空心内膜拟采用规格为900mm×600mm×500mm的薄壁箱体，肋宽150mm，肋间距1050mm。密肋板布置方法为：离墙边0.1m处开始放置，离柱子1m处结束放置。

①混凝土：顶、底板和侧墙混凝土强度等级为 C40，抗渗等级为P10，中板混凝土强度等级为C40，柱混凝土强度等级为C50，素混凝土垫层强度等级为 C20;钢筋：钢筋强度等级为HRB400。

②施加荷载与计算书中一致。

1）土压力。顶板竖向土压力39kN/m2，顶板位置侧向土压力13.81kN/m2，底板位置侧向土压力92.3kN/m2。

2）水压力。顶板竖向水压力15kN/m2，顶板位置侧向水压力15kN/m2，底板位置侧向水压力：230.4kN/m2，底板竖向水压力：230.4kN/m2。

3）地面超载。竖向地面超载20kN/m2，侧向地面超载7.08kN/m2。

4）各层所加荷载。物业底板楼面荷载：20.4kN/m2，车站中板楼面荷载：25.1kN/m2，车站底板楼面荷载：4kN/m2。

2.4 计算结果分析

图3和图4为准永久组合弯矩和剪力图，由于弯矩和剪力图对称，因此只列出一半的数据与原计算书进行比较。

顶板跨中弯矩151.3kN·m，柱子处弯矩385.5kN·m，边墙处弯矩516.9kN·m。

顶板柱子处左边剪力329.0kN，柱子处左边剪力363.7kN，边墙处剪力393kN。

计算书中数据如下：

顶板跨中弯矩167kN·m，柱子处弯矩390.3kN·m，边墙处弯矩542.4kN·m。

顶板柱子处左边剪力319.0kN，柱子处右边剪力343.4kN，边墙处剪力391.1kN。

从弯矩对比来看，更换顶板后的跨中弯矩相比边墙和柱子减少较多，因为跨中位置是空心板，自重减少，弯矩减少较多，靠近边墙和柱子处仍为实心板，因此弯矩减少较少。

从剪力对比来看，更换顶板后剪力略微增加，这是由于面积空心板相对实心板面积减少。

通过各项数据对比可看出更换空心顶板前后误差在5%左右，因此可认为将车站实心顶板更换成密肋空心板是合理的。

2.5 抗弯验算

2.5.1 墙边截面验算（配筋图如图5-a所示）

密肋空心板截面可等效成工字型截面进行计算。

①计算受压区高度x：

（1）

代入数据求得

x？燮？孜b·h0且x<2a′s

②抗弯承载力计算

（2）

代入数据求得

墙边截面最大弯矩为：

满足抗弯要求。

2.5.2 柱边截面验算（配筋图如图5-a所示）

①计算受压区高度x

代入公式（1）求得x=47.07mm

x？燮？孜b·h0且x<2a′s

②抗弯承载力计算

代入公式（2）求得

柱边截面最大弯矩为：

满足抗弯要求。

2.5.3 跨中截面验算（配筋图如图5-b所示）

①计算受压区高度x

代入公式（1）求得x=69.98mm

？孜b·h0=388mm? ? 2a′s=105mm

②抗弯承载力计算

代入公式（2）求得

柱边截面最大弯矩为：

满足抗弯要求。

2.6 抗弯验算

1-1截面：

混凝土抗剪承载力：

（3）

代入数据得V=881kN

，满足要求。

2-2截面：

混凝土抗剪承载力

，满足要求。

3-3截面：

混凝土抗剪承载力

，满足要求。

4-4截面：

混凝土抗剪承载力

，满足要求。

5-5截面：

混凝土抗剪承载力

，满足要求。

3? 结论

更换顶板后，顶板弯矩和剪力与更换前变化不大，彎矩相对减少，抗弯抗剪也都满足相应要求。因此，将密肋空心板应用到地铁车站顶板中具有一定的可行性。

参考文献：

[1]Anon.PROPOSED REVISIONS TO： BUILDING CODE REQUIREMENTS FOR REINFORCED CONCRETE （ACI 318-71）[J]. 1977.

[2]Bencardino，F.，G.Spadea，R.N.Swamy.Strength and ductility of? reinforced concrete beams externally reinforced with carbon fiber? fabric[J].Aci Structural Journal，2002， 99 （2）：163-171.

[3]Foubert， S.， K.Mahmoud， E.El-Salakawy. Behavior of Prestressed? Hollow-Core Slabs Strengthened in Flexure with Near-Surface? Mounted Carbon Fiber-Reinforced Polymer Reinforcement[J]. Journal of Composites for Construction 2016， 20 （6），04016037.

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[6]沈巧智，衣娜，李榮.组合塑料模盒现浇混凝土空心楼盖应用[J].低温建筑技术，2014，36（1）：68-69.

[7]武晓军，张晓杰，付永卫，邓浩.组合塑料模盒现浇混凝土空心楼盖设计理论与现场试验分析[J].城市建设理论研究：电子版，2013（33）.

[8]Bonaldo，E.，P.B.LourencO，Efficient Strengthening Technique? to Increase the Flexural Resistance of Existing RC Slabs[J].? Journal of Composites for Construction 2008，12 （12）：149-159.

[9]沈丽萍，牛彦，王彦清，樊旭峰.钢筋混凝土双向密肋楼盖的试验研究[J].沈阳工业大学学报，2005（03）：325-328.

[10]谭贵福.新型装配整体式双向密肋空心楼盖受力性能研究与应用[D].湖南大学，2014.

[11]兰州市城市轨道交通 1 号线一期工程西关什字站主体计算说明书[R].2014.

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