对既建地铁车站结构改造设计的数值模拟分析

对既建地铁车站结构改造设计的数值模拟分析摘要：本文以某地铁既建车站结构改造设计为研究对象，采用施工数值模拟分析的方式来反馈结构设计，提出了在既建地铁车站结构改造设计中需要重点关注的几个问题，旨在确保既建地铁车站结构整体的安全性与稳定性。关键词：地铁车站结构设计数值模拟中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：1.既建地铁车站概况某地铁车站位于市南位置，为地下两层结构，中心里程为右向DK23850.863，地铁车站建设总长度为213.67m，标准段宽度为18.65m。由于受客流及地区规划的影响，需要对西端原有地铁预留出口进行扩宽处理和对东侧出口位置进行墙体切割改造处理，并针对中板楼梯口位置进行孔洞改造处理。2.既建地铁车站结构改造设计的数值模拟从该地铁车站结构改造要求的角度上来说，考虑到该地铁车站的结构有效使用年限为百年，对于变形控制有着极为严格的要求，需要在结构改造施工中针对工程项目结构附加变形作用力进行特别关注。因此希望通过施工数值模拟的方式反馈结构设计，使之能够确保既建地铁车站结构整体的安全性与稳定性。目前数值模式技术发展的比较成熟，种类繁多，本项选取的是连续介质快速拉格朗日分析方式进行。（1）既建地铁车站结构改造施工数值模拟的计算范围与坐标系分析在整个平面位置上确定既建地铁车站结构改造的具体区域范围：将基本尺寸设定为长度方向150m，宽度方向60m，深度方向相对于地面水平线基准位置以下30m。按照此种计算范围所对应的坐标系原点位置确定在高程30m西北方向位置。（2）既建地铁车站结构改造施工数值模拟的三维网格模型及其参数分析首先，从三维网格模型的确定以及约束条件的保障角度上来说，对于本文所研究的既建地铁车站项目而言，结构改造设计施工过程中的计算模型主要包括土体结构、主体结构以及围护结构这三个方面，借助于Solid45（六面体、八节点）单元完成模拟作业。与之相对应的三维网格模型基本结构示意图如下图所示（见图1）；其次，从约束条件的保障角度上来说，针对图1中所确定的计算模型底部位置采取全约束保障方式，针对计算模型侧面位置采取法向约束保障方式。在此基础之上需要从车站标准段（20kPa单位）以及中板均匀性布置荷载（8kPa单位）这两个方面入手，实现对地面超载标准值的合理限定。特别需要注意的一点在于：通过现场测定的方式还需要在数值模拟作业之前，针对包括重度指标、压缩模量指标以及压缩系数指标在内的相关土层物理力学性质数据进行合理测定与统计，与之相对应的数据示意表如下表所示（见表1）。（a）整体结构计算模型示意图（b）主体/围护结构计算模型图1三维网格模型基本结构示意图表1：改造区域土层物理力学性质数据示意表（3）既建地铁车站结构改造施工数值模拟中的数值计算参数选取分析在既建地铁车站结构改造施工数值模拟的过程当中，有关数值计算参数的选取需要分两个方面完成：一方面，改造维护结构以及止水结构的方式需要结合对搅拌桩、旋喷桩以及抗拔桩的综合应用予以完成，此过程当中所涉及到的相关参数数值基本如下表所示（见表1）；另一方面，在完成既建地铁车站结构改造施工数值模拟的全过程中，对于改造项目主体结构以及材料参数的选取需要从截面尺寸、弹性模型以及泊松比等方面进行详细控制，相关数据示意表如下表所示（见表3）。表2：数值模拟计算结构参数数据示意表表3：数值模拟结构材料数据示意表3.数值模拟结果分析下图（见图2）即为按照以上分析方式所获取的，相对于本文所研究工程实例在结构改造过程当中各部分的位移情况示意图。（a）改造后工程实例主体结构x向位移情况示意图（b）改造后工程实例主体结构y向位移情况示意图（c）改造后工程实例主体结构z向位移情况示意图图2工程实例结构改造位移情况示意图在借助于三维有限元分析方法针对既建地铁车站结构改造设计的数值模拟计算分析作业，是建立在一部分条件假设基础之上的。考虑到在结构改造项目施工的实践作业过程当中，施工条件发生变动的可能性始终存在。与此同时，既建地铁车站结构改造过程当中对于附加变位的敏感程度较高。在结构改造作业前，整个地铁车站结构形式表现为全封闭型钢筋混凝土箱型框架结构形式，整体侧向刚度指标以及抗震性能指标表现较好。但基于对施工安全性的保障，确保结构改造后期车站安全，需要特别注意以下几个方面的问题。首先，侧墙局部开孔转变为两侧主体，需要针对侧墙保留部分结构墙体按主体受力分析进行必要的加固处理。此过程当中的加固设计方式可以选取钢筋加固以及浇筑加固。与此同时，对于板开孔位置需要确保加固暗梁设计性能的可靠性，通过联合墙体梁柱结构形成框架体系的方式确保结构改造后对于抗震性能的可靠性满足。最后，为确保已既建地铁车站结构工程项目改造设计及施工过程当中，车站结构不会在开挖侧墙土方施工影响下出现单侧受理问题，需要在施工过程中确保改造项目两侧开挖土方的平衡性与对称性。4.结束语（1）施工数值模拟分析可以很好地指导施工设计。（2）既建地铁车站结构改造工程项目的实施风险因素较大、技术要求较高，对于变形指标控制严格，在实施过程中需要特别注意。参考文献：1陶龙光,刘波,丁城刚等.盾构过地铁站施工对地表沉降影响的数值模拟J.中国矿业大学学报,2003,32(3):236-240.2赵伯明,蒋英礼,陈靖等.软土地铁车站结构在三维强地震动作用下的响应分析J.中国铁道科学,2009,30(3):45-50.3漆泰岳,刘强,琚国全等.软弱岩层大跨度地铁车站施工优化与地表沉降控制J.岩石力学与工程学报,2010,29(4):804-813.4李志高,曾远,刘国彬等.邻近地铁车站基坑开挖位移传递规律数值模拟J.岩土力学,2008,29(11):31