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地铁车站盾构井处临时环梁计算优化分析

作者:高涛,赵芮  发布:2017/6/5  浏览:
单位:黄河勘测规划设计有限公司,河南省商丘市水利建筑勘测设计院

摘 要:盾构井在盾构吊装期间,侧向压力主要由临时环梁承担,开孔周边受力情况较为复杂。本文通过对地铁车站盾构井处临时环梁进行三维建模计算,并与传统二维计算结果进行对比,得出如下结论: 1) 二维计算存在局部弯矩过大及配筋过于保守等缺点,有一定的优化余地; 2) 相对于二维计算,三维整体建模计算结果更加合理,得出的结构尺寸及配筋结果对于类似工程具有一定的参考意义。

0 引言

伴随着我国国民经济快速发展,城市化进程不断加快,城市轨道交通的建设对于缓解城市交通压力的作用日益明显。截至2014 年底,全国36 个城市都在修建地铁,每天投资超过7. 8 亿元[1]。随着设计手段的逐步提高,国内许多学者及工程师对地下车站进行了大量的三维结构设计研究。如: 周可樟等[2]利用ANSYS 软件进行了车站施工仿真模拟及分析,验证施工方案的可行性; 文献[3 - 5]结合工程实例,对明挖地铁车站构建三维模型,并对其结构受力机制进行详细分析; 陈改霞等[6]对地铁车站的平面简化模型计算和空间模型计算进行了对比分析,说明两者模型受力存在差异性; 文献[7 - 9]则结合国内地铁车站的研究现状,总结了明挖法地铁车站结构设计的优点,对车站结构设计方法进行了深入的研究; 李延等[10]从空间效应的角度出发,通过对不同跨度的空间模型与相应的平面模型进行数值模拟计算分析,研究了其对地铁车站结构设计的影响; 李坤[11]将建筑信息模型理念引入地铁设计,建立了地铁车站标准段的BIM 三维模型,通过Revit extensions 将完善后的BIM 模型导入Robot 中,进行地铁车站的结构计算,实现了物理模型和分析模型之间工程信息的共享; 文献[12 - 14]采用有限元分析软件,建立盾构井结构的空间计算模型,研究端头盾构井主体结构各主要构件的受力特性。上述研究大多是整体结构设计及分析,针对盾构吊装井处临时环梁的受力分析研究较少。对于该部位的受力分析,传统方法是按照结构力学的方法,采用二维手段( 如理正计算程序、SAP2000 二维计算或者自编的标准计算书等) 进行二维计算及配筋。这种方法相对工作量小、效率高,但在对实际构造物的简化、模型的建立和荷载的施加中存在着偏差。虽然能确保工程的安全性,但却会损失一部分经济性。本文以某地下标准车站的结构计算为基础,探讨采用三维有限元方法在分析临时环梁受力情况中的应用,并将其计算结果与二维计算结果进行对比分析。

1 工程概况

该车站主体结构为地下2 层2 跨箱型框架结构体系,顶板覆土厚3. 0 m 左右( 盾构井段顶板覆土厚2. 9m) ,车站底板底埋深约16. 39 m( 盾构井段底板底埋深约18. 07 m) 。车站采用11. 0 m 单柱岛式站台,车站标准段宽度为20. 10 m、结构高度为13. 39 m,盾构井段宽度为24. 00 m、结构高度为15. 17 m,车站总长度为233. 40 m。根据盾构区间工程筹划,本站两端均为盾构始发,均设置盾构吊入孔。车站南北两侧设有活塞风道、风井和4 个出入口。

根据地勘报告,本站基坑范围内地层主要有杂填土、砂质粉土填土、砂质粉土和粉质黏土等,底板主要坐落于砂质粉土上。站场含水层岩性主要以粉土和粉细砂为主,局部为中砂。含水层属中等透水层,富水性中等。浅层含水层以粉土和砂层为主,属松散岩类孔隙水,地下水类型为潜水。勘察期间地下水位埋深7. 5 ~ 17. 4 m,平均深度约12. 3 m。

按照地铁设计规范、混凝土结构设计规范及混凝土结构耐久性设计规范的要求,顶板、底板、侧墙和环梁混凝土强度等级为C35,抗渗等级为P8; 中板混凝土强度等级为C30; 柱混凝土强度等级为C50; 主筋选用HRB400; 环梁尺寸为900 mm × 1 700 mm。

图1 为车站盾构井段结构平面图,图2 为车站盾构井段结构横剖面图。

2 模型建立

采用SAP2000 软件分别建立车站三维整体模型及盾构井处临时环梁的二维模型。

SAP2000 是一个基于有限元的通用结构分析与设计软件[15],其单元库和荷载类型十分丰富。本文建模主要用到其中的线单元和面单元。墙板结构是明挖车站的受力主体,车站所有墙板结构均采用壳单元进行模拟,并选择厚板。临时环梁采用框架单元进行模拟。

图1 车站盾构井段结构平面图( 单位: mm)

图2 车站盾构井段横剖面图( 单位: mm)

设计时按照极限承载力状态和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合,并取各自的最不利组合形式进行结构设计。荷载组合系数见表1。

表1 荷载组合系数

计算工况为近期工况( 低水位+ 主动土压力状况) ,侧墙主要承受的是侧向土压力、水压力及超载引起的土压力等水平荷载。根据地勘报告,求得盾构井段车站侧墙范围内土体侧压力系数加权平均值为0. 492。

建立三维模型时,地铁车站以底板结构为基础,以弹簧形式作用于基底土上; 侧墙是车站体的主要承重结构,车站侧向土压力及水压力等作用于侧墙上。盾构井工作阶段内,该段顶、中板尚未施工,仅标准段完成封顶,故模型中仅标准段建立有顶、中板,且顶板主要承担车站上方回填土及超载等产生的压力荷载。在整个受力体系中,盾构井段主要依靠侧墙、盾构临时环梁承担外部的各种荷载,标准段主要依靠墙、板承担车站的各种荷载。这和地面框架结构中主要依靠梁柱体系承担荷载不同。在这种情况下,在SAP2000 软件中,可通过面单元网格划分,将侧墙和顶、底板进行有限元网格划分,使其与梁柱体系协同受力。根据地铁车站的结构体系,面荷载的施加以均布荷载的形式作用在板、墙结构上。为便于建模过程中面弹簧的施加,侧墙及底板处弹簧根据地勘报告按照加权平均求出一个平均值并施加在模型上。

根据地勘报告计算得到: 侧墙部分弹簧刚度为29 000 kN/m4 ; 底板部分弹簧刚度为27 000 kN/m4。

侧向土压力

q顶= 0. 492 × 3 × 20 = 29. 52 kN/m;

q底=0. 492 × ( 3 ×20 +15. 2 ×20) =179. 09 kN/m。

地面超载引起的侧向土压力

q超= 0. 492 × 30 = 14. 76 kN/m。

水压力( 三角形荷载)

q水1 = 0;

q水2 = ( 18. 07 - 12. 3) × 10 = 57. 7 kN/m。

同时,由于顶板与地面间的水平荷载直接作用于围护结构上,而该部分围护桩在背土侧无结构侧墙,荷载未传递至结构侧墙上,故建模时顶板以上部分的水平荷载可忽略。

考虑到本文重点分析的部位为盾构井段,且标准段受力比较规则、单一,为便于建模及后处理,可沿线路方向适当缩短标准段长度。最终建成模型见图3。

图3 车站三维模型

建立二维模型时,由于盾构井工作段顶、中板尚未施工,侧墙及临时环梁已施工完毕,仅将盾构环梁作为单独研究对象,不考虑该部分与标准段顶板两者的共同作用及相互影响,计算时忽略侧墙的作用。

二维平面计算( 2D) 采用以下假定: 1) 取环梁相邻的一长边和一短边,梁交接处为刚性连接; 2) 环梁远端处约束为固定约束; 3) 侧向压力全部由环梁承担,主要包括侧向土压力及地面超载。受力计算简图见图4。

图4 盾构环梁受力计算简图( 二维)

其中,侧向土压力计算时,按照板带划分的理论,顶板与站厅层之间,侧墙一半的土压力考虑由顶层环梁承担; 中板处站厅层以上一半及站台层一半的土压力考虑由中层环梁承担。

环梁承担的侧向土压力

q顶= 201. 52 kN/m; q中= 655. 74 kN/m。

因现状水位位于中板以下,故考虑顶层环梁不承担水压力,仅中层环梁承担水压力。按照板带划分的理论,站台层一半的水压力考虑由中层环梁承担。

环梁承担的水压力

q顶= 0; q中= 166. 5 kN/m。

地面超载引起的侧向土压力q超= 14. 76 kN/m。

盾构井段临时环梁二维计算模型见图5。

图5 盾构环梁二维模型

3 计算结果

盾构环梁对比截面位置见图6。

图6 盾构环梁对比截面位置示意图( 单位: mm)

基本组合及准永久组合工况下,盾构环梁的三维及二维计算弯矩和配筋结果见表2。

表2 盾构环梁三维与二维模型计算结果对比

准永久组合工况下,盾构环梁的三维及二维计算位移如图7 和图8 所示。

图7 盾构环梁三维计算位移( 单位: m)

由表2 对比发现,采用二维建模计算得出的弯矩普遍比采用三维整体建模计算得出的弯矩偏大,结构配筋也增加很多。究其原因,主要是由于采用二维建模计算时,梁交接处为刚性连接,其余均为固端( 图6 中位置1和位置3) ,该方法造成固端处弯矩计算结果较大。对比图7 和图8,在采用三维建模计算时,结果显示,位置1 和位置3 处均有一定位移,相比固端时其弯矩可大幅减少,结构配筋更合理,采用三维计算也更符合实际情况。

4 结论与讨论

文章结合具体工程实例,通过对地铁车站盾构井处临时环梁进行三维及二维模型计算,得出如下结论。

图8 盾构环梁二维计算位移( 单位: m)

1) 三维计算结果表明,真实情况下,盾构井处临时环梁的实际弯矩小于二维计算结果。二维模型假定环梁承担所有侧向荷载,三维模型则为侧墙与梁、柱共同承担荷载。通过对比三维计算和二维计算结果可知,二维计算方法下,盾构环梁的尺寸及配筋结果较大,有一定优化余地。

2) 三维计算结果表明,盾构井扩大端处实际会有水平位移,这与二维计算假设不同,在二维计算中,该处节点设定为固端,完全无位移。设计时应注意该处侧墙的受力分析及裂缝控制,必要时应加强配筋及设置暗柱。

3) 本文在进行二维计算时,地面超载按照面荷载凝聚成线荷载,再乘以其竖向作用宽度并作用于侧墙上,这样考虑地面超载引起的水平荷载过于强化,设计偏于保守。三维计算时,地面超载以面荷载的形式直接作用于侧墙上,荷载取值较之相对合理。

4) 环梁交接处会有应力集中现象,但考虑到环梁受力方向高度为1 700 mm,刚度较大,可以承受该处应力,故本文未对此处重点关注,有待进一步探索研究。

综上所述,与传统的二维计算相比,采用三维模型有限元计算可以较为合理地反映盾构环梁处的受力情况。对于盾构临时环梁,推荐采用三维有限元方法进行计算。三维计算结果表明,本站盾构临时环梁结构尺寸选取比较合理。针对同类型、同规模的地下车站盾构临时环梁提出的设计建议,包括各控制部位的配筋情况等,对于类似工程具有一定的参考意义。

摘自:隧道建设

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