Midas Gen在地下高铁站结构设计中的应用.pdf

-73-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期两星推荐随着经济飞速发展，我国跻身为世界第二大经济体。而铁路运输是我国交通运输中最主要的方式，在国家经济发展中起着不可替代的重要作用。改革开放 40 年来，中国高铁经历了从少到多、从追赶到领跑、从走得了变成走得好的转变。高铁建设是“新工业革命”的标志，中国高铁技术已跻身世界前列，在世界范围得到广泛应用。中国高铁跑出了中国速度，更创造了中国奇迹。伴随我国高速铁路建设规模的不断推进，地下高铁站工程日渐增多。有以引入城市中心、充分利用城市地下空间为代表的成渝高铁重庆沙坪坝站、京津城际铁路天津于家堡站、广深港高铁深圳福田站和香港西九龙站，有以保护历史遗迹、体现安全人文、环保耐久为代表的京张高铁北京八达岭长城站，有以空铁联运为代表的京雄城际铁路北京大兴机场站、海南环岛高铁海口美兰站、长赣铁路黄花机场站、杭州机场高铁萧山机场站等。地下高铁站具有设计及施工风险大、工程投资高等特点，如何合理计算并设计地下高铁站结构对车站的使用功能、结构安全、投资效益等极为关键和重要。本文以杭州机场高铁萧山机场地下高铁站为研究背景，采用 Midas Gen 软件对该车站站台区标准段进行结构分析计算，以期为后续此类工程的结构设计提供有益的借鉴参考。工程概况作为 2022 年杭州亚运会重要基础配套项目、浙江省推进“大通道建设”十大标志性项目之一，杭州萧山国际机场三期项目工程于 2018 年启动建设。这一项目对杭州机场打造成为区域枢纽机场、提升长三角机场群国际航空服务功能提供标杆性意义。萧山机场高铁站土建工程是杭州机场三期项目的重要组成部分，将与 T4 航站楼、交通中心、地铁站及其他配套工程等建设同步进行。待高铁站完工投运后，杭州机场将实现“空铁联运”模式，并构建成集航空、高铁、地铁、公交、出租车、长途客车多位一体的综合交通枢纽。由图 1 可知，萧山机场高铁站位于新建 T4 航站楼和陆侧交通中心南侧，东西向布置，与三期工程中轴线平行。车站西北侧为中国民用航空华东地区空中交通管理局浙江分区院落，南侧为新建机场保通道路、改迁机场地下车库地道及既有 T2 航站楼，东侧为既有 T1、T3 航站楼。新建 T4 航站楼主楼南侧的部分结构柱落于萧山机场站站房范围内，由萧山机场站顶板层转换出。T4 航站楼前高架桥的部分桥墩及基础落于萧山机场站范围内。车站基坑采用明挖法施工，行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度MidasGen 在地下高铁站结构设计中的应用方 浩方 浩中铁第四勘察设计院集团有限公司方浩（1992），硕士研究生，工程师，研究方向：铁路站房、交通枢纽及其基坑工程的结构设计。中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-74-两星推荐两端均设盾构接收井，接单洞双线盾构区间。萧山机场高铁站为杭州机场高铁线工程的一座中间车站，车站旅客最高聚集人数1 000人。车站全长888.238 m，总建筑面积 55 797m2。站场规模为 2 台 4 线，站台形式为侧式站台，站台宽 9.0m、长 450m。车站为地下两层，其中地下一层为站厅层，层高 8.6m；地下二层为站台层，层高 7.75m。站房中心处轨面绝对标高为-12.755m，线路埋深 19.255m，正线线间距 4.6m，站台范围内到发线与正线间距 6.5m。结构设计主要设计原则设计使用年限根 据 铁 路 旅 客 车 站 设 计 规 范（TB 10100-2018），地下车站的结构设计使用年限为 100 年。建筑结构安全等级根 据 铁 路 旅 客 车 站 设 计 规 范（TB 10100-2018），地下车站的结构安全等级为一级，结构构件重要性系数 0取 1.1。抗震设防烈度及类别根据中国地震动参数区划图（GB18306-2015）及建筑抗震设计规范（GB 50011-2010），拟建场地的抗震设防烈度为 6 度，基本地震动峰值加速度为 0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为类，特征周期为0.45s。根据铁路旅客车站设计规范（TB 10100-2018），地下车站的抗震设防类别为重点设防类（乙类）；参考城市轨道交通结构抗震设计规范（GB 50909-2014），地下车站结构的抗震等级为二级。裂缝宽度控制根据 混凝土结构设计规范（GB 50010-2010）（2015年版），裂缝控制等级为三级。工程地质条件场地土层由上而下依次为1杂填土（重度 为 19 kN/m3、静止侧压力系数 K0为 0.50）、2素填土（为 19 kN/m3、K0为 0.47）、1砂质粉土（为 19.3 kN/m3、K0为 0.43）、2粉砂夹砂质粉土（为 19.7 kN/m3、K0为 0.38）、3粉砂（为 20 kN/m3、K0为 0.36）、4粉砂夹淤泥质粉质黏土（为 19.7 kN/m3、K0为 0.45）、5粉 砂 夹 粉 质 黏 土（为 19.9 kN/m3、K0为 0.38）、1-1淤泥质粉质黏土、1-2淤泥质粉质黏土、1粉质黏土、1粉质黏土、1粉砂、4-1圆砾、4-2粉质黏土、1细砂、2含黏性土圆砾、3圆砾，其中车站底板位于5粉砂夹粉质黏土层中。结构缝设置结合车站结构形式、荷载分布等因素，设置 6 条变形缝将车站分为 7 个区段，见图 3。其中，中间站台区段，宽度为 45.1m，长度为 456m；两端 4 线隔墙区段，宽度为25.6m，单侧长度为 75.316m；两端 4 线大跨区段，宽度为 25.042m，单侧长度为 44.5m；两端 4 线过渡为 2 线区段与盾构井合并为一个区段，单侧长度为 96.303m。设计荷载荷载分项系数及组合荷载分项系数及组合情况见表 1。其中，基本组合计算时，计入结构重要性系数 1.1，可变荷载设计使用年限调整系数 1.1。可变荷载组合值系数取 0.7，可变荷载准永久值系数取 0.7。表 1 荷载分项系数及组合表序号荷载组合验算工况永久荷载可变荷载1基本组合构件强度计算1.31.1 1.51.11.10.72准永久组合构件裂缝、变形验算1.01.00.73构件抗浮稳定验算1.0荷载取值（1）永久荷载结构自重：结构构件自重由程序自动计算，混凝土容重取 25kN/m3。装修层：厚度按实际情况考虑，容重取 24kN/m3。顶板覆土：厚度按使用阶段实际覆土厚度考虑，容重取20kN/m3。吊顶和吊挂设备荷载取 1kN/m2。水土压力按水土分算考虑。土压力：结构承受的水平侧土压力按静止侧向土压力考虑。水压力：结构计算按最不利图 3 车站平面分区示意图图 1 杭州萧山国际机场总平面布置图图 2 杭州萧山国际机场横剖面示意图-75-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期两星推荐水位承受全水头水压力。（2）可变荷载人群荷载标准值按 4 kN/m2考虑；地面超载按 20 kN/m2考虑；设备荷载按 8kN/m2考虑，并考虑结构设备的动力影响及安装途径等，当设备荷载超过 8kN/m2时，按实际值计算。侧墙可变荷载主要为由地面车辆荷载所引起的侧向土压力，按工程地质条件中各土层的静止侧压力系数 K0 乘以地面活载计算均布活荷载值。结构构件设计如图 4 所示，中间站台区标准段采用双柱三跨箱型框架结构。顶板设置纵梁分割板跨，车站中板、底板采用内隔墙分隔板跨。底板与桩基合建，采用厚板整浇。站台区标准段区域顶板、中板、底板厚度分别为 1 000 mm、500mm、2 200mm；顶 纵 梁 截 面 尺 寸 为 1 200 mm1 800mm；侧墙厚度分别为 1 000mm（站厅层）、1 300mm（站台层）；站台层内隔墙厚度为 400mm；框架柱截面尺寸为 1 000mm（垂轨）1 200mm（顺轨），柱跨 9m。各结构构件混凝土强度等级、抗渗等级详见表 2。表 2 混凝土强度等级、抗渗等级要求构件名称混凝土等级 抗渗等级构件名称混凝土等级 抗渗等级框架柱C45内隔墙C35顶板（顶板梁）C35P8中板（中板梁）C35底板（底板梁）C35P10底板上填充C20侧墙C35P8（P10）底板下垫层C20注：与底板一起浇筑的侧墙的抗渗等级为 P10，其余抗渗等级为 P8。模型建立软件介绍Midas Gen 是一款基于有限元理论的空间结构分析与设计软件，适用于住宅、厂房、博物馆、体育场馆等各种结构。该软件善于分析处理复杂结构和空间特构，可综合处理有层及无层结构类型。除常规的静力、动力分析外，还可进行特征值分析、反应谱分析、弹性时程分析、几何非线性分析、材料非线性分析、隔震和消能减震分析、静力弹塑性和动力弹塑性分析、施工阶段分析、水化热分析、屈曲分析等高端分析功能，为工程师设计更合理的结构提供了强大工具支持。Midas Gen 不仅保证了计算结果的可靠性，并提供了便捷的操作功能及有益的帮助文档，得到了广大结构设计师的高度好评。计算模型设计采用 Midas Gen 软件建立三维框架模型进行计算分析，计算模型如图 5 所示。模型中采用梁单元模拟梁、柱；板单元模拟侧墙、板；采用只受压弹簧模拟土体对结构的作用，侧墙外侧布置只受压水平弹簧，底板底部布置只受压竖向弹簧。建模时考虑抗拔桩的有利作用，在抗拔桩中心节点施加线弹簧。图 6 MidasGEN 整体计算结果图 5 站台区标准段三维计算模型图 4 站台区标准断面计算结果分析Midas Gen 三维计算Midas Gen 三维受力分析计算结果如图 6、图 7 所示。SAP84 二维计算SAP84 是一款微机结构分析通用软件，该软件具有分析功能强大、力学模型合理、操作简单方便、结果准确可靠等优点，因此是最常用的结构受力分析软件之一。该软件通过自动迭代计算处理单向受力的杆件和弹簧，可以充分考虑结构与周围土体的相互作用，因此 SAP84 常用于进行地铁车站等地下结构工程的受力分析。利用 SAP84 对萧山机场高铁站站台区标准段进行二维受力分析计算，结果如图 8所示。计算结果对比分析结合图 7、图 8，可以发现两者之间的内力分布趋势基本一致。结合表 3 计算结果对比情况，经分析 Midas Gen 三维计算内力分布合理。因此，可认为三维计算内力总体合理。中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-76-两星推荐表 3 计算结果对比表受力部位名称Midas GenSAP84对比结果顶板跨中1 4481 397GEN 偏大 3.7%支座2 125.21 640GEN 偏大 29.6%中板跨中402357.3GEN 偏大 12.5%支座814.9639GEN 偏大 27.5%底板跨中2 477.93 544GEN 偏小 30.1%支座5 1945 837GEN 偏小 11.0%图 8 SAP84 计算结果图 7 MidasGEN 典型断面结果结语合理计算并设计地下高铁站结构对车站的使用功能、结构安全、投资效益等极为关键和重要。文章利用 Midas Gen 软件对地下高铁站主体结构进行受力分析计算，并将计算结果与 SAP84 计算结果进行对比。由此验证 Midas Gen 对地下高铁站结构设计具有适用性，可在保障结构安全性的基础上有效指导设计与施工，为其他工程提供参考。