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摘要：针对直墙仰拱和曲墙仰拱两种不同的设计方案，利用大型有限元软件ANSYS建立数值模型，通过数值计算从受力角度分析两种方案的优劣，最终确定合适的设计方案。
关键词：数值模拟，地铁车站，结构设计
1前言
地铁车站断面形式复杂，合理结构断面形式对于结构受力和后期安全起着决定性作用。大连地铁某车站为双层岛式双拱单柱结构，比选方案为曲墙仰拱形式与直墙仰拱形式。本文以ANSYS数值模拟对结构比选进行研究。车站主体隧道断面尺寸为20.7m15.3m（宽高）。车站采用复合衬砌形式，立柱为钢管混凝土柱，其它均为钢筋混凝土结构。根据对应的结构形式，车站沿纵向采用中洞法施工。
对单元的选取：在初衬与二衬结构设计验算中，分别将初衬和二衬取为BEAM3梁单元；在进行拆撑过程中支护内力变化分析过程中，将初衬取为BEAM3，二衬取为PLANE2面单元；超前小导管加固区取为PLANE2面单元；初期支护（临时支护）同初衬取为BEAM3梁单元；杂填土、中风化板岩、中板、中柱取为PLANE2面单元。
初衬出现最大弯矩在开挖步3的侧墙底部，提取其对应的弯矩、轴力与剪力值，对应数值为358KN·m，1570KN，424KN。将其带入JD软件进行分析。当取Wmax=0.2mm，JD软件配筋为8.2Φ22，略大于8Φ22，认为存在安全性问题。
（2）二衬安全性分析
考虑全水头作用下，二衬最大弯矩在侧墙底部，提取其对应的弯矩、轴力与剪力值，对应数值为2400KN·m，2730KN，1670KN。将其代入JD软件进行分析，当Wmax=0.2mm时，配筋远超合理水平，所以该预设方案二衬设计不安全。
初衬出现最大弯矩在开挖步3的侧墙底部，提取其对应的弯矩、轴力与剪力值，对应数值为280KN·m，62KN，714KN。将其代入JD软件进行分析，易知预设计初衬符合安全性要求。
（2）二衬安全性分析
考虑
（1）厚度700cm直墙仰拱形式衬砌二衬，由于结构形式对围岩应力匹配性差，导致局部受力太大，无法满足结构配筋要求。从受力角度，不是好的方案。
（2）厚度700cm曲墙仰拱形式衬砌的初衬、二衬均满足结构设计的配筋要求，设计受力合理。与直墙仰拱形式相比，是优选方案。
参考文献：
TB10003-2005，铁路隧道设计规范[S]. 北京：人民交通出版社，2005.
GB50157_2003，地铁设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2004.
关键词：数值模拟，地铁车站，结构设计
1前言
地铁车站断面形式复杂，合理结构断面形式对于结构受力和后期安全起着决定性作用。大连地铁某车站为双层岛式双拱单柱结构，比选方案为曲墙仰拱形式与直墙仰拱形式。本文以ANSYS数值模拟对结构比选进行研究。车站主体隧道断面尺寸为20.7m15.3m（宽高）。车站采用复合衬砌形式，立柱为钢管混凝土柱，其它均为钢筋混凝土结构。根据对应的结构形式，车站沿纵向采用中洞法施工。
2 数值分析
2.1 几何模型建立
本模型取K17+190断面作为计算断面。依据设计方案的CAD模型，考虑模型的力学边界效应，有限元分析顶部边界取实际地面高程的地面线，侧墙与底板据边界距离分别取3D（D取20米），分别建立曲墙仰拱直墙仰拱的几何模型。对单元的选取：在初衬与二衬结构设计验算中，分别将初衬和二衬取为BEAM3梁单元；在进行拆撑过程中支护内力变化分析过程中，将初衬取为BEAM3，二衬取为PLANE2面单元；超前小导管加固区取为PLANE2面单元；初期支护（临时支护）同初衬取为BEAM3梁单元；杂填土、中风化板岩、中板、中柱取为PLANE2面单元。
2.2本构模型选取
根据不同部分的力学特性，把围岩部分和加固区部分按照理想弹塑性材料处理，采用D-P模型本构关系，可以分析模型的塑性区情况以及弹、塑性区的应力与应变；主要结构部分采用弹性模型本构关系，可以通过分析结构的内力，结合现有结构设计规范进行结构设计验算。2.3岩土体物理力学参数选取
本次数值模拟分析中，岩土体参数的确定主要依据地质详勘与围岩分级，结合《铁路隧道设计规范》（TB 10003-2005）各级围岩物理力学指标取得。其中杂填土采用地质详勘建议值；中风化板岩考虑地下水影响取IV级围岩参数下限值，根据《铁路隧道设计规范》取得；小导管超前加固围岩参数的实现，参考相关文献弹性模量适当折减，浆液扩散半径平均为1 m左右。钢筋混凝土二衬、钢格栅喷射混凝土初衬（支护）等物理力学性能较稳定、明确，依据经验取得。2.4 边界条件
根据模拟问题的力学情况确定边界条件：左右边界采取水平约束，底边采取垂直约束；模型顶部施加20KN/m的地面超载，岩土体与结构体受重力作用；考虑初衬施工时降水作用，初衬分析不考虑水压力，二衬分析按全水头施加水压力。2.5 安全性评价方法与准则
本数值分析的安全性分析主要是基于数值分析所得结构内力，按照混凝土结构设计规范（GB 50010-2002）所规定的要求进行验算。具体来说，首先对设计院提供的设计方案进行数值分析，分别求得不同方案的初衬和二衬弯矩、轴力与剪力图；然后，将最大弯矩所对应截面的弯矩、轴力、剪力值提出，运用北京城建设计研究总院结构所编制的北京城建设计研究总院结构设计程序VER 1.1 BETA版（简称JD软件）进行结构设计；最后，通过对JD软件所得结构设计结果进行合理性判断，分析得出设计方案的合理与否，说明其安全性。3 数值计算结果分析
初衬安全性分析依据为：根据预设钢格栅设计方案，预设钢格栅初支护可以等效为8Φ22配筋的钢筋混凝土结构，将之与JD软件分析得配筋相比，确定初衬安全性。二衬安全性主要根据配筋率合理与否进行判断。3.1衬砌直墙仰拱方案分析
(1)初衬安全性分析初衬出现最大弯矩在开挖步3的侧墙底部，提取其对应的弯矩、轴力与剪力值，对应数值为358KN·m，1570KN，424KN。将其带入JD软件进行分析。当取Wmax=0.2mm，JD软件配筋为8.2Φ22，略大于8Φ22，认为存在安全性问题。
（2）二衬安全性分析
考虑全水头作用下，二衬最大弯矩在侧墙底部，提取其对应的弯矩、轴力与剪力值，对应数值为2400KN·m，2730KN，1670KN。将其代入JD软件进行分析，当Wmax=0.2mm时，配筋远超合理水平，所以该预设方案二衬设计不安全。
3.2 曲墙仰拱结构形式方案分析
(1)初衬安全性分析初衬出现最大弯矩在开挖步3的侧墙底部，提取其对应的弯矩、轴力与剪力值，对应数值为280KN·m，62KN，714KN。将其代入JD软件进行分析，易知预设计初衬符合安全性要求。
（2）二衬安全性分析
考虑
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全水头作用下，二衬最大弯矩在侧墙底部，提取其对应的弯矩、轴力与剪力值，对应数值为744KN·m，3540KN，91KN。将其代入JD软件进行分析，知Eo/Ho<=0.55，不需验算裂缝宽度，该二衬预设计符合安全性要求。四、设计方案比选结论
通过二维有限元计算分析，得到了以下结论：（1）厚度700cm直墙仰拱形式衬砌二衬，由于结构形式对围岩应力匹配性差，导致局部受力太大，无法满足结构配筋要求。从受力角度，不是好的方案。
（2）厚度700cm曲墙仰拱形式衬砌的初衬、二衬均满足结构设计的配筋要求，设计受力合理。与直墙仰拱形式相比，是优选方案。
参考文献：
TB10003-2005，铁路隧道设计规范[S]. 北京：人民交通出版社，2005.
GB50157_2003，地铁设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2004.