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摘要：本文以武汉地铁6号线唐家墩站十字型换乘节点为例，采用MIDAS/GEN三维有限元分析软件，对车站换乘节点在近期单线运营、远期双线运营两种不同工况下结构内力及变形进行数值模拟计算，并对计算结果进行分析得出一些有用结论，可供类似工程参考。
关键词：十字型；地铁结构；换乘节点；有限元
1工程概况
武汉地铁唐家墩站为地铁6号线与10号线换乘车站，站位位于唐家墩路与发展大道交叉路口处。车站平面呈十字型，其中6号线车站沿唐家墩路布置，为地下三层岛式站，10号线车站沿发展大道布置，为地下两层岛式站。6号线车站底板埋深约25.4m，10号线车站底板埋深约17.8m，车站标准段覆土约3.7m。作为换乘预留条件，6号线车站在与10号线相交位置结构外扩，并施工10号线车站接口框架同时预留钢筋接驳器，换乘节点段未设变形缝，接口处侧墙近期封闭，远期凿除。唐家墩站地处长江一级阶地，车站埋深范围由上至下依次为1-1杂填土、1-3淤泥质粘土、3-1粘土、3-3淤泥质粉质粘土、3-5粉砂夹粉土及粉质粘土、4-1粉细砂层。车站采用明挖法施工，围护结构采用地下连续墙。
2有限元计算
2.1建模思路
地铁车站一般沿线路纵向设置纵梁，而十字型换乘车站在换乘节点处出现线路垂直交叉，考虑到结构受力及经济性，换乘节点段部分结构设置井字梁，相应结构板为双向板受力，此时相比普通车站二维断面计算，换乘节点段采用三维有限元整体计算更为适用。因受建设规划、施工工期、施工场地等因素限制，地铁换乘车站近期及远期线路结构同时实施可能性较小，换乘车站一般会优先实施近期线路结构及车站的换乘节点，并预留远期线路结构实施条件，因此在进行换乘节点的结构计算时必须考虑近期单线运营、远期双线运营两种工况。对于换乘节点而言，近期线路的地下二层中板即为远期线路的底板，承受地铁行车动荷载，计算时也必须分别考虑地铁车辆行至不同位置时的情况。
2.2数值模型
换乘节点段采用MIDAS/GEN V7.8版软件进行整体结构计算，计算时采用梁单元模拟梁、柱、抗拔桩，采用板单元模拟侧墙、楼板，梁、板单元的截面特性及材料按结构实际取值，节点位置取结构中心点，按1m一个单元建模。唐家墩站换乘节点建立近期、远期工况三维有限元模型如图1所示，其中顶板及行车板沿6号线、10号线分别设置纵梁，即井字梁设置，地下一层中板沿10号线设置单向纵梁，底板沿6号线设置单向纵梁，底板下方设置抗拔桩。
（a）近期工况 （b）远期工况
图1有限元整体模型
2.3计算荷载
模型按照施工阶段无水工况及使用阶段有水工况分别计算水土荷载。除此之外，地下二层行车板考虑列车荷载轴重160KN、轮重70KN（两辆车，六辆车编组），荷載图式纵向如图2所示。考虑实际列车荷载运行位置，换乘节点段存在图3所示的三种不同的荷载布置情况，计算时也需逐一考虑并取最终包络值。
图2列车荷载示意图
（a）列车荷载1跨工况 （b）列车荷载2跨工况 （c）列车荷载3跨工况
图3列车荷载布置图
2.4边界条件
土体对车站底板作用采用只受压弹簧模拟；土体对抗拔桩水平、竖直方向作用采用拉压弹簧模拟，其中竖直方向弹簧刚度k=桩竖向极限承载力标准Puk/δ，其中P=Σλi*qsia*2*d；土体对抗拔桩端竖直方向作用采用只压弹簧模拟，弹簧刚度k=桩（地连墙）端竖向极限承载力标准值Quk/δ，δ为桩在极限承载力标准值作用下竖向变形。6号线标准段截断处及10号线截断处施加沿车站纵向约束、沿横向和竖向转动约束。
3结果分析
3.1结构内力
换乘节点段顶板及行车板为双向板受力，侧墙在远期线路施工时需部分凿除，相比普通车站二维断面计算，该部分结构三维有限元模型计算结果更准确，故对其结构内力进行了对比分析。6号线线路沿水平X轴方向，10号线线路沿竖直Y轴方向。
图4为近期及远期工况顶板Myy计算结果，由图可见远期工况的跨中弯矩极值比近期工况跨中弯矩极值大，且远期工况极值出现在6号线及10号线边跨跨中位置。图5为近期及远期工况行车板Myy计算结果，由图可见远期工况跨中弯矩极值和近期工况跨中弯矩极值相差不大。图6为近期及远期工况侧墙Myy计算结果，由图可见远期工况跨中弯矩极值比近期工况跨中弯矩极值大，且远期工况极值出现在6号线地下三层侧墙跨中位置。
远期工况时地下一层及二层侧墙被凿除，导致与凿除侧墙相连处顶板边跨及地下三层侧墙支座约束变小，弯矩向跨中转移，故在荷载作用下远期工况时跨中弯矩变大，这和图4及图6计算结果相吻合，实际配筋中边跨增大方向的主筋也需相应增强。
（a）近期工况 （b）远期工况
图4顶板Myy内力图
（a）近期工况 （b）远期工况
图5行车板Myy内力图
（a）近期工况 （b）远期工况
图6侧墙Myy内力图
3.2结构变形
换乘节点段结构竖向变形计算结果如图7所示，由计算结果可知近期工况各层结构板竖向变形极值均比远期工况大，其中最大竖向变形极值9.9mm及近期与远期工况最大竖向变形极值差值0.9mm均发生在换乘节点顶板。该变形值均能满足相应规范要求。
（a）近期工况 （b）远期工况
图7换乘节点竖向变形图
4结论
本文以武汉地铁6号线唐家墩站十字型换乘节点为例，采用MIDAS/GEN三维有限元分析软件，对车站换乘节点在不同工况下结构内力及变形进行了数值模拟计算，并对计算结果进行分析，得出结论如下：
（1）十字型地铁换乘节点顶板及行车板的井字梁结构设置较为经济合理，采用三维有限元软件进行整体模型计算更为准确。
（2）换乘节点整体模型计算需考虑近期单线运营、远期双线运营两种工况，各工况下还需对列车荷载不同行进状况进行包络计算。
（3）远期双线运营工况下换乘节点段的结构侧墙需部分凿除，会导致与凿除侧墙相连的支座弯矩向跨中转移，相应跨中钢筋配置需增强。
关键词：十字型；地铁结构；换乘节点；有限元
1工程概况
武汉地铁唐家墩站为地铁6号线与10号线换乘车站，站位位于唐家墩路与发展大道交叉路口处。车站平面呈十字型，其中6号线车站沿唐家墩路布置，为地下三层岛式站，10号线车站沿发展大道布置，为地下两层岛式站。6号线车站底板埋深约25.4m，10号线车站底板埋深约17.8m，车站标准段覆土约3.7m。作为换乘预留条件，6号线车站在与10号线相交位置结构外扩，并施工10号线车站接口框架同时预留钢筋接驳器，换乘节点段未设变形缝，接口处侧墙近期封闭，远期凿除。唐家墩站地处长江一级阶地，车站埋深范围由上至下依次为1-1杂填土、1-3淤泥质粘土、3-1粘土、3-3淤泥质粉质粘土、3-5粉砂夹粉土及粉质粘土、4-1粉细砂层。车站采用明挖法施工，围护结构采用地下连续墙。
2有限元计算
2.1建模思路
地铁车站一般沿线路纵向设置纵梁，而十字型换乘车站在换乘节点处出现线路垂直交叉，考虑到结构受力及经济性，换乘节点段部分结构设置井字梁，相应结构板为双向板受力，此时相比普通车站二维断面计算，换乘节点段采用三维有限元整体计算更为适用。因受建设规划、施工工期、施工场地等因素限制，地铁换乘车站近期及远期线路结构同时实施可能性较小，换乘车站一般会优先实施近期线路结构及车站的换乘节点，并预留远期线路结构实施条件，因此在进行换乘节点的结构计算时必须考虑近期单线运营、远期双线运营两种工况。对于换乘节点而言，近期线路的地下二层中板即为远期线路的底板，承受地铁行车动荷载，计算时也必须分别考虑地铁车辆行至不同位置时的情况。
2.2数值模型
换乘节点段采用MIDAS/GEN V7.8版软件进行整体结构计算，计算时采用梁单元模拟梁、柱、抗拔桩，采用板单元模拟侧墙、楼板，梁、板单元的截面特性及材料按结构实际取值，节点位置取结构中心点，按1m一个单元建模。唐家墩站换乘节点建立近期、远期工况三维有限元模型如图1所示，其中顶板及行车板沿6号线、10号线分别设置纵梁，即井字梁设置，地下一层中板沿10号线设置单向纵梁，底板沿6号线设置单向纵梁，底板下方设置抗拔桩。
（a）近期工况 （b）远期工况
图1有限元整体模型
2.3计算荷载
模型按照施工阶段无水工况及使用阶段有水工况分别计算水土荷载。除此之外，地下二层行车板考虑列车荷载轴重160KN、轮重70KN（两辆车，六辆车编组），荷載图式纵向如图2所示。考虑实际列车荷载运行位置，换乘节点段存在图3所示的三种不同的荷载布置情况，计算时也需逐一考虑并取最终包络值。
图2列车荷载示意图
（a）列车荷载1跨工况 （b）列车荷载2跨工况 （c）列车荷载3跨工况
图3列车荷载布置图
2.4边界条件
土体对车站底板作用采用只受压弹簧模拟；土体对抗拔桩水平、竖直方向作用采用拉压弹簧模拟，其中竖直方向弹簧刚度k=桩竖向极限承载力标准Puk/δ，其中P=Σλi*qsia*2*d；土体对抗拔桩端竖直方向作用采用只压弹簧模拟，弹簧刚度k=桩（地连墙）端竖向极限承载力标准值Quk/δ，δ为桩在极限承载力标准值作用下竖向变形。6号线标准段截断处及10号线截断处施加沿车站纵向约束、沿横向和竖向转动约束。
3结果分析
3.1结构内力
换乘节点段顶板及行车板为双向板受力，侧墙在远期线路施工时需部分凿除，相比普通车站二维断面计算，该部分结构三维有限元模型计算结果更准确，故对其结构内力进行了对比分析。6号线线路沿水平X轴方向，10号线线路沿竖直Y轴方向。
图4为近期及远期工况顶板Myy计算结果，由图可见远期工况的跨中弯矩极值比近期工况跨中弯矩极值大，且远期工况极值出现在6号线及10号线边跨跨中位置。图5为近期及远期工况行车板Myy计算结果，由图可见远期工况跨中弯矩极值和近期工况跨中弯矩极值相差不大。图6为近期及远期工况侧墙Myy计算结果，由图可见远期工况跨中弯矩极值比近期工况跨中弯矩极值大，且远期工况极值出现在6号线地下三层侧墙跨中位置。
远期工况时地下一层及二层侧墙被凿除，导致与凿除侧墙相连处顶板边跨及地下三层侧墙支座约束变小，弯矩向跨中转移，故在荷载作用下远期工况时跨中弯矩变大，这和图4及图6计算结果相吻合，实际配筋中边跨增大方向的主筋也需相应增强。
（a）近期工况 （b）远期工况
图4顶板Myy内力图
（a）近期工况 （b）远期工况
图5行车板Myy内力图
（a）近期工况 （b）远期工况
图6侧墙Myy内力图
3.2结构变形
换乘节点段结构竖向变形计算结果如图7所示，由计算结果可知近期工况各层结构板竖向变形极值均比远期工况大，其中最大竖向变形极值9.9mm及近期与远期工况最大竖向变形极值差值0.9mm均发生在换乘节点顶板。该变形值均能满足相应规范要求。
（a）近期工况 （b）远期工况
图7换乘节点竖向变形图
4结论
本文以武汉地铁6号线唐家墩站十字型换乘节点为例，采用MIDAS/GEN三维有限元分析软件，对车站换乘节点在不同工况下结构内力及变形进行了数值模拟计算，并对计算结果进行分析，得出结论如下：
（1）十字型地铁换乘节点顶板及行车板的井字梁结构设置较为经济合理，采用三维有限元软件进行整体模型计算更为准确。
（2）换乘节点整体模型计算需考虑近期单线运营、远期双线运营两种工况，各工况下还需对列车荷载不同行进状况进行包络计算。
（3）远期双线运营工况下换乘节点段的结构侧墙需部分凿除，会导致与凿除侧墙相连的支座弯矩向跨中转移，相应跨中钢筋配置需增强。