第43卷第4期
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2 0 1 7 年 2 月
山西建筑
SHANXI ARCHITECTURE
Vol . 43 No . 4Feb . 2017
文章编号：1009-6825 (2017) 04-0048-02
李艳
(武汉交通职业学院，湖北武汉430065 )
摘要：采用Midas/GTS 有限元软件，对某超长超大的地下空间主体结构进行了考虑地震、温度等各种荷 载效应组合的有限元分 析，获得了最不利荷载组合作用下结构构件的设计内力值及位移，并校核了位移与层间位移角的规范性，以确保结构设计安全。 关键词：地下空间结构，有限元模型，应力，水平位移 中图分类号:TU352 武汉某大型地下广场平面呈不规则多边形，南北长约240 m ， 东西宽约130 m ，主体结构为由钢筋混凝土梁、柱、板及侧墙组成 的2层框架结构，中部沿东西向有地铁车站横穿，车站为4层框 架结构。前期采用PKPM 进行结构计算，初步确定主要构件的截 面尺寸：框架柱为900 mm x 900 mm ；框架梁为600 mm x 1 400 mm , 500 mm X 1 200 mm ,600 mm X 1 000 mm ,400 mm X 800 mm ；顶板 厚400 mm ，中层板厚200 mm ，底板厚1 000 mm ；侧墙厚600 mm 。 除框架柱采用C 40混凝土外，其他构件均采用C 35混凝土。
PKPM 软件无法较好地处理土层侧压力及温度效应等，采用 Midas /GTS 有限元软件对主体结构进行考虑温度、侧土压力、地震
等各种荷载效应组合的有限元计算分析，获得最不利荷载组合下 结构的内力及位移，为结构设计提供依据。
1三维有限元模型
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采用Midas /GTS 建立主体结构的三维有限元模型，如图1所
示。梁、柱等杆件采用梁单元，板、侧墙等采用板单元，网格长度 为1 m ，合计112 000个单元，。框架柱和侧墙底部为固定约束，侧 墙和底板考虑土体边界条件，分别采用只受压的非线性面弹簧约 束和只受压非线性节点弹簧约束，弹簧刚度按地勘提供的基床系 数进行取值。C 35和C 40混凝土的泊松比为0.3，密度2 500 k ^m 3，
S O -S 9-O -S 9-O -S S O -S 9-O -S S O -S 9-O -S 9-O -S S O -S 9-O -S 9-O -S S O -S 9-O -S S O -S 9-O -S 9-O -S S O -S 9-C
b . 当填充墙的长度大于5 m 时，墙顶与梁（板）宜有拉结；填 充墙的长度超过8 m 或者层高的2倍时，墙内宜设置钢筋混凝土 构造柱；当填充墙的高度超过4 m 时，墙体的半高处（或门窗洞口
上皮）宜设置钢筋混凝土水平系梁，与柱连接且沿墙全长贯通。c . 砌体砂浆强度等级不应低于M 5，墙顶应与框架梁或楼板 密切结合。
感应式小便器d . 楼梯间和人流通道的填充墙，应采用钢丝网砂浆面层加强。
目前，工程设计人员对于带填充墙框架的抗震设计，只采用
了周期折减系数来计算填充墙对整体刚度的增大，没有考虑填充 墙对强度、刚度和剪力分配的影响，方法比较简化。大量的震害
文献标识码:A
弹性模量分别为31.5 GPa 和32.5 GPa 。图1地下空间主体结构的三维有限元模型
2计算荷载
荷载工况中永久荷载包括结构自重、覆土重、侧向土压力、水
浮力；可变荷载包括地面超载、楼面活荷载、设备区等效均布荷 载。另外，超长结构还需考虑温度作用、地震作用。2.1 永久荷载
结构自重由软件按25 kN/m3重度自动计算；覆土重按覆土
2.3 m 考虑，取值40 kPa；采用水土合算计算静止水土压力，静止 土压力系数由地勘报告提供；水浮力按全浮力计算，取154.3 kPa 。
2.2可变荷载
地面超载取20 kPa ，并考虑扩散后作用在地下室侧墙上的侧 土压力为12 kPa；楼面活荷载取4 kPa ，设备区按8 kPa 均布荷载 布置。
>-S SO -S 9-O-S 9-O-S
SO -S 9-O-S 9-O-S
SO -S 9-O-S
SO -S 9-O-S 9-O-S
SO -S 9-O-S 9-O-S SO -S 9-O-S 9-O-S
SO -S 9-C
表明，填充墙对结构刚度有影响，对主体结构有约束，会造成扭转
破坏、薄弱层破坏和短柱的剪切破坏。因此，非常有必要针对框 架结构的震害特点，开展结构试验，研究填充墙不均匀布置对主
体结构抗震性能的影响，及在不同的填充墙布置的情况下，框架
结构的地震反应和设计的方法。参考文献：
[1] 李建辉，薛彦涛，王翠坤，等.框架填充墙抗震性能的研究现
状与发展[J ] •建筑结构,2011，41(S l ):12-17•
[2] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].[3] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].
Seismic performance and design of a frame with a packed wall
Sun Xiaoxia1,2
(1. Taiyuan University of Technology , Taiyuan 030024 ^ China \2. Datong Building Design Institute , Datong 037006, China )
Abstract ： Sums up the problems in the design for the framework of the filled walls. Analysis of the influence of frame structure filling wall on structure stiffness and bearing capacity, and points out that the design should be reasonable layout of filling wall, avoid weak layer or weak parts, reduces the adverse influence to the structure.Key words ： frame structure, filler wall, stiffness, bearing capacity
收稿日期=2016-11-26
作者简介：李艳（1983-)，女，博士，讲师
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2 0 1 7年2月李艳：大型地下空间主体结构抗震有限元分析• 49 •
2.3温度荷载
地下结构主要考虑季节温差和混凝土收缩当量温差Ar2，按文献[1]方法计算可得Ar2 = -27丈。季节温差=
) - r。，当地的最高月平均气温= 37 t，最低月平均 气温r_ = -51，地下结构的季节温差考虑按0.7系数折减，混 凝土浇筑成型时施工温度r。参考当地项目做法[2]，控制为8 T ~ 15 1，由此可得，结构最大季节正温差为17.9 最大季节负温差为-18.5 T。考虑徐变引起混凝土应力松弛，松弛系数按文献 [3]建议取0.3。由于正温差与混凝土收缩当量温差的大部分温 度效应相互抵消，只考虑混凝土收缩当量温差与负温差叠加，由此确定本工程最不利温差为A77= ( - 18. 5丈-Z/X：)x0•3 = -13. 65 T，采用单元温度加载方式。
2.4地震荷载
本工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，所属设计地震分组为第一组，设计使用年限为100年，抗震 设防类别为重点设防类，按6度抗震设防烈度进行抗震计算，按 7度地震设防烈度采取抗震措施。采用反应位移法计算地震作用，将土层在地震作用下产生的变形通过地基弹簧以静荷载的形 式作用在结构上，同时考虑土层变形对结构周围产生剪力，由于 惯性力对地下主体结构影响较小[4]，可忽略。采用一维土层地震 反应计算土层相对位移s和结构周围剪力T，土层相对位移转化 为等效集中力F施加于侧墙节点处。
F=ks,k= ALd(1)
其中A为弹簧刚度系数;4为地基水平向反力系数;L为弹簧 间距W为计算断面沿主体结构纵向的计算长度。
3计算结果分析
分项系数及组合值系数按照《建筑结构荷载规范》取值，计算 结果为各荷载工况下结构最不利受力情况。
3.1内力分析
地下2层底板应力分布较均匀，主拉应力和主压应力均在 板边缘与侧墙连接处较大，板底最大主拉应
力为34. 4 MPa，板顶 最大主压应力为-40. 3 MPa，最大应力均位于地铁车站西端北 侧板与侧墙连接处，如图2所示。地下1层楼板为普通梁板结 构，支座处板顶受拉，如图3所示，板顶最大主应力为33.9 MPa，板底最大主压应力为-38.8 MPa，位于同一尖角部位。地下 1层顶板板顶最大主应力为54.4 MPa，板底最大主压应力为-61.9 MPa。
地下1层顶板的框架梁剪力及弯矩相对地下1层楼板的框
架梁较大(约为3倍），跨度较小的斜梁端部剪力较大。顶板框架 梁最不利内力组合为剪力3 196 kN、弯矩4 419 kN .m。框架柱 的内力大值分布无明显规律，个别柱内力较大，地下1层柱的最 不利内力组合为：轴力-9 301 kN、剪力604 kN、弯矩2498 kN •m；地下2层柱的最不利内力组合为：轴力-10 722 kN、剪力352 kN、弯矩 1 222 kN .m。
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图2地下2层底板板底最大主应力云图
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水汽分离器
图3地下1层底板板顶最大主应力云图
3.2位移分析
地下1层顶板和楼板的竖向最大位移分别为13.9 mm和 13.0 mm，2层底板的竖向位移在车站区域相对较大，最大位移为 4.4 mm。梁板最大位移13. 9 mm位于跨度为9 m的板区域，扰度 小于《混凝土结构设计规范》规定的限值L/250。柱及侧墙的水平
位移在车站区域相对较大，柱和侧墙在地下1层和地下2层的最 大位移分别为5 mm和4. 5 mm。地下1层的层间位移角最大，为
1/2 709，远小于《建筑抗震设计规范》规定的弹性层间位移角限 值 /i/550(层高 /i = 5 m)。
4结语
有限元计算表明该地下结构大部分梁柱、楼板及侧墙应力、
位移分布较均勻，各构件协调变形。顶板和楼板中庭大开洞部位
并未出现明显的应力集中和位移最值，可见中庭大开洞部位结构
刚度合适。个别错层、尖角部位内力或位移较大的构件设计时应重
点关注，在可靠计算配筋的基础上采取有效的构造措施进行保护。
参考文献：
[1]林晓宇，鲁亮.超长超大地下空间结构温度应力分析[J].
低温建筑技术，2011 (10) :3(M0，47.
[2]张达生，袁强•武汉体育中心体育馆主体结构温差效应分
析与控制[<[].建筑结构学报,2012,42(9):14-19.
[3]龚洛书，惠满印，杨蓓.混凝土收缩与徐变的实用数学表
达式[J].建筑结构学报，1988,9(5) :3742.
[4]龚思礼.建筑抗震设计[M].北京：中国建筑工业出版社，
1994.
Seismic finite element analysis of main structure in a large underground space
Li Yan
(Wuhan Technical College of Communications,Wuhan430065 ,China)
Abstract ：Finite element analysis of the main structure of a large and extra-large underground space was carried out by using Midas/GTS finite element software which considered various load effect combinations including earthquake, temperature and other loads. The design internal force value and the displacement of the structural member under the most unfavorable load combination were obtained to calculate the reinforcement and check whether the displacement and the displacement between the layers meet the specification limits. This is done to ensure that the structural design is safe.
Key words：underground space, finite element model, stress, horizontal displacement
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