城市地下空间的结构设计和有限元分析探讨

摘要：随着城市的发展，城市空间逐步由地面及上部空间向地下延伸。本文探讨了城市地下空间结构体系的选用，并结合某城市地下空间结构的计算实例，对城市地下空间结构进行分析。

关键词：地下空间; 结构体系; 有限元

Abstract: with the development of the city, the city space gradually by the ground and the upper space to the underground extensions. This paper discusses the urban underground space structure of the system in use, and in combination with an urban underground space structure calculation examples, analyzed the structure of urban underground space.

Keywords: underground space; Structure system; Finite element

中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：

引言近年来，随着经济的发展和城市人口的增加，我国逐渐兴起地下城市空间综合体这种新的结构形式，城市地下空间的开发和利用，需特别重视地下空间的功能和结构设计，借鉴先进经验，加强规划、设计和管理，避免因设计不当，重蹈“先建设、再规划，后整治”的覆辙。

1、城市地下空间结构体系

城市地下空间的结构形式多种多样，地下空间的主要结构在地下，其自身的结构形式受到周围环境的诸多限制，因此合理的选择城市地下空间的结构形式，确保其受力性能安全可靠格外重要。下面对地下空间结构的水平结构体系进行讨论。

城市地下空间结构中的楼盖体系称为水平结构体系。在城市地下空间结构的设计过程中，常用的楼盖体系有无梁楼盖、钢筋混凝土交叉主次梁楼盖、组合楼盖体系和无粘结预应力混凝土平板楼盖等。

（1）无梁楼盖是有楼板和柱组成的板柱结构受力体系，双向受力，设计过程中一般在柱顶设置柱帽，以增加板柱节点的抗冲切承载力。当荷载和跨度较大时，楼板挠度和裂缝不易控制，在设计过程中，当地下空间上覆土厚度不超过1.2m，跨度小于8m时，考虑使用无梁楼盖体系。

（2）由双向楼板和交叉梁系共同组成的楼盖体系是钢筋混凝土交叉主次梁楼盖体系。这种楼盖体系板厚相对于无梁楼盖体系来说，板厚较小，但是当用于跨度较大的城市地下空间结构时，梁高难以控制，会限制空间的有效使用。在设计过程中，当地下空间上层覆土厚度不超过1.5m，跨度不大于12m时，考虑使用该结构体系。

（3）由混凝土楼板和钢梁组成的楼盖体系称为组合楼盖体系，这种楼盖体系兼有混凝土结构和钢结构的优点，与普通混凝土楼盖结构相比，组合楼盖可以很好的减小构件截面尺寸，增加结构体系的延性，在地上结构中广泛使用。在城市地下空间结构中，组合楼盖体系也有广泛的应用前景，在大荷载、大跨度的地下空间结构体系中，组合楼盖能够很好的满足结构的使用要求。在设计过程中，当地下空间上覆土厚度大于2m，跨度大于12m时，考虑使用组合楼盖体系。

（4）无粘结预应力混凝土平板楼盖具有相对于无梁楼盖体系板厚较小的优点，但是在实际的施工过程中，现场张拉钢筋比较困难，因此，在设计过程中，该楼盖体系的使用受到限制。

2某城市地下空间结构的有限元分析

以某城市地下空间结构体系为例，利用有限元软件进行结构分析，通过对该城市地下空间结构的静力分析计算，得出在荷载作用下该结构体系的内力，为设计提供相应的参考值。

2.1有限元模型的建立

2.1.1模型参数

该城市地下空间结构具有顶板荷载大、跨度大的特点，且该城市地下空间对空间的要求比较高，因此，在关键部位采用钢管混凝土，结构具体尺寸如下：

（1）结构尺寸参数

该城市地下空间结构竖向三层：负一层层高6m，柱网尺寸为8.4m8.4m和8.4m16.8m（中间4跨），顶板采用无梁楼盖体系，板厚600mm。负二层层高4.8m，负三层层高7.2m，柱网尺寸为8.4m8.4m，顶板采用宽扁梁体系，板厚600mm。该城市地下空间结构体系采用钢管混凝土柱，结构两侧设置剪力墙。结构有限元计算模型见下图1。

图1某城市地下空间结构体系有限元模型

（2）材料参数

该城市地下空间结构体系的主要材料参数见下表1。

表1材料参数表

结构部位 抗渗等级 混凝土等级 钢筋等级

基础梁及底板 P8 C40 HRB335

基础承台 P8 C40 HRB335

侧壁 P8 C35 HRB335

框架柱 C50 HRB335

（3）荷载类型：

1）活载：考虑的荷载有列车荷载、人群荷载、施工临时荷载、汽车荷载、设备吊装荷载等。

2）恒载：考虑结构及建筑面层自重、土压力、水压力，不考虑混凝土收缩和徐变的影响。

2.1.2模型简化处理及边界条件

模型在建立过程中的，考虑到进行结构静力分析，将地基土上荷载直接线性施加于结构上；考虑地下水作用于结构上的水浮力和水压力；在计算的过程中，满足计算精度要求的情况下，不考虑结构周围土体的约束作用；结构顶板不施加边界约束。

2.2结构内力计算结果

由于结构的负一层顶板中间四跨横向跨度为16.8m，因此，其内力要比其他部位大很多。由内力计算结果可知，结构中间一排柱轴压力最大，最大值为7300kN，结构中间排柱梁柱节点处剪力值最大，最大值为2500kN，弯矩最大值出现在中间立柱梁柱节点处，最大值为7800 kN·m。结构弯矩分布见图2示意。

图2结构弯矩图

2.3结构位移结果

由计算结果可知，该城市地下空间结构的竖向位移主要发生在中间区域的大跨楼盖范围，在负一层楼盖的中间两跨，最大跨中挠度达到8mm。还可发现，该城市地下空间结构的位移主要表现为楼板结构的竖向变形，即楼板的跨中绝对挠度是结构位移变化最大的地方，主要原因是结构上层土体荷载负重较多，且结构跨度较大。

3结论与展望

本文结合实例，对城市地下空间结构体系的受力和变性进行了分析。城市地下空间结构作为一种新型结构体系，在一些方面的研究仍有待发展，如对城市地下空间结构抗震措施的研究，目前国内在这一方面的理论和实践还很少，需要我们共同努力。

参考文献:

[1]中国工程院课题组.中国城市地下空间开发利用研究.2001,10.

[2]崔曙平.国外地下空间开发利用的现状和趋势.城乡建设.2007, 6.

[3]童林旭.我国城巾地下空间发展的新阶段.城市发展研究，2002, 1.

[4]王文卿.城市地下空间规划与设计.南京:东南大学出版社，2000.

作者简介：万博(1979--)，男,中煤科工集团武汉设计研究院，工程师，从事结构设计和研究工作。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。