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地鐵端頭井的設(shè)計計算方法探討論文
摘 要:簡要介紹地鐵設(shè)計的基本方法,著重介紹端頭井的結(jié)構(gòu)類型、端頭井計算的模型和計算中存在的問題,探討了端頭井的分析計算方法.實例計算結(jié)果表明,對于端頭井結(jié)構(gòu),不適宜采用平面框架進(jìn)行計算.在空間分析的前提下,在計算模型上適當(dāng)做出一定程度的簡化,對構(gòu)件的主要受力特征作了分析和總結(jié),通過和平面結(jié)構(gòu)的對比,提出了端頭井結(jié)構(gòu)在設(shè)計中應(yīng)該注意的問題.所得計算結(jié)果合理,對工程設(shè)計具有指導(dǎo)作用.
關(guān)鍵詞:地鐵; 端頭井; 設(shè)計
1地鐵設(shè)計的基本方法
目前地鐵設(shè)計中,基本計算方法如下.
a.極限平衡法.無法反映施工過程中墻體受力的連續(xù)性,只是一種淺基坑(支撐層數(shù)少)和支撐剛度很大情況的近似,支撐層數(shù)越多、地層越軟、墻體剛度越大,計算結(jié)果與實際出入越大,已較少采用.
b.平面有限元法.由于計算參數(shù)難以準(zhǔn)確取值以及計算工作量大,目前在結(jié)構(gòu)設(shè)計中很少直接用平面有限元法的計算結(jié)果作為設(shè)計依據(jù).有時,結(jié)合某些重大工程技術(shù)問題的處理,把它作為一種輔助的計算手段.
c.土抗力法(也稱豎向彈性地基梁的基床系數(shù)法).土抗力法假定墻體兩側(cè)的土壓力隨開挖過程變化,在開挖側(cè)和迎土側(cè)的墻上均設(shè)有土體彈簧,并規(guī)定迎土側(cè)土壓力隨墻體向基坑一側(cè)的變形增大而減小,但不得小于主動土壓力.用土抗力對擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析時,按側(cè)向地基上的結(jié)構(gòu)計算,用壓縮剛度等效的土體彈簧,模擬地層對墻體變形的約束.
土抗力法中,基本方法有總量法(總和法)和增量法(疊加法).總量法可直接求得當(dāng)前施工階段完成后體系的實際內(nèi)力及位移;在用增量法計算時,外荷載和所求得的體系內(nèi)力及位移都是相對于前一個施工階段完成后的增量.一般說來,增量法是解決非線性受力繼承性問題的有效手段, 總量法只能用于線性受力繼承性問題的分析中.作為非線性問題的特例,增量法也可應(yīng)用于線性受力問題的分析,但不如總量法簡便.當(dāng)前在工程設(shè)計中,基坑支護(hù)受力問題大多可視為線性的,但有時也會遇到非線性問題.非線性問題,除了一般所指的構(gòu)件材料和地層為彈性體外,還包括在受力的各個階段,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度(或結(jié)構(gòu)型式)構(gòu)件組成不發(fā)生改變的情況.
2 端頭井的計算
在地鐵結(jié)構(gòu)中,端頭井(也稱作盾構(gòu)工作井)作為地鐵區(qū)間隧道施工時供盾構(gòu)拼裝、拆卸或掉頭的空間,是典型的空間結(jié)構(gòu)(圖1).端頭井需要滿足盾構(gòu)施工要求(如凈空要求、吊裝凈尺寸要求及掉頭空間要求等),大部分情況下必須在施工過程中,在樓板預(yù)留吊裝孔(如始發(fā)井),或者端頭井內(nèi)框架柱和框架梁必須后澆(如掉頭井).
地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段一般為狹長型,以平面變形為主,因此標(biāo)準(zhǔn)段可以按平面框架進(jìn)行受力分析計算[1].
由于端頭井結(jié)構(gòu)長寬比接近1.0,支撐結(jié)構(gòu)一般采用斜向布置,支撐長短不一,變形的大小也不盡相同,在換算成為平面結(jié)構(gòu)時會有比較大的誤差.而且端頭井結(jié)構(gòu)在開挖階段就有比較明顯的空間效應(yīng),特別是在轉(zhuǎn)角處,“L”型、“T”型和“Z”型墻幅同時呈現(xiàn)出彎曲和扭曲的情況.
當(dāng)結(jié)構(gòu)樓板有大開洞的情況時,樓板無法對側(cè)墻提供支撐,這就要求使用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來平衡側(cè)向力.一般設(shè)計采用的方法是在側(cè)墻處設(shè)置壁柱,并在樓板開洞處對應(yīng)的側(cè)墻位置設(shè)置水平框架梁,水平框架梁和壁柱共同組成壁式框架與縱橫向的框架梁形成支撐結(jié)構(gòu),形成側(cè)向放置的樓蓋.
當(dāng)端頭井內(nèi)框架柱必須后澆時,對于頂板結(jié)構(gòu),因框架柱澆筑以前已經(jīng)存在較大覆土荷載及地面車輛荷載,對頂板框架梁和板的設(shè)計提出了較高要求;對于底板結(jié)構(gòu),因水反力尚未形成,可以考慮將部分底板框架梁下翻,預(yù)留箍筋連接器,待框架柱后澆時同時施工底板框架梁上翻部分.
平面框架計算的方法無法完成端頭井的特殊受力計算要求,一般采用的計算工具均為有限元軟件,如SAP和ANSYS等.
2.1端頭井的結(jié)構(gòu)類型
一般的地鐵結(jié)構(gòu)均分為圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)兩部分,按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同可以分為密排樁圍護(hù)(如鉆孔灌注樁排、人工挖孔灌注樁排及SMW工法等)和板樁圍護(hù)(如連續(xù)墻等).在目前設(shè)計中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本上均作為主體結(jié)構(gòu)的一部分參與整體受力.
a. 當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯墻結(jié)合面粘結(jié)好,能承受剪力時,采用復(fù)合墻計算法,墻體計算厚度取內(nèi)外墻厚度之和,如連續(xù)墻圍護(hù).
b. 當(dāng)內(nèi)外墻之間設(shè)有防水層或兩者結(jié)合差, 不能傳遞剪力時,按重合結(jié)構(gòu)計算,但要考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯墻之間有、無地下水壓力工況,如密排樁圍護(hù).
密排樁圍護(hù)受力較為簡單,只需要將外力按比例分配給圍護(hù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)即可.但是對連續(xù)墻圍護(hù),由于在內(nèi)外墻之間存在剪應(yīng)力,使得結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)有較大改變,作者主要針對連續(xù)墻圍護(hù)的端頭井計算.
對于連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu),當(dāng)采用柔性接頭時,柔性接頭處傳遞剪力的能力較差.因此,無論對于側(cè)墻結(jié)構(gòu)還是壁柱或是水平框架梁,當(dāng)背土面結(jié)構(gòu)受拉時(正彎矩),接頭為受壓狀態(tài),此時的構(gòu)件截面為全截面,即考慮連續(xù)墻厚度在內(nèi)的截面;當(dāng)迎土面結(jié)構(gòu)受拉時(負(fù)彎矩),接頭為受拉狀態(tài),此時的構(gòu)件截面應(yīng)該將連續(xù)墻厚度扣除.
2.2 端頭井計算存在的問題
對于空間結(jié)構(gòu),應(yīng)該采用較為真實的整體模型進(jìn)行分析.所采用的計算模式,應(yīng)和結(jié)構(gòu)實際的受力條件相吻合,并能反映結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用.結(jié)構(gòu)計算遵循“先變位、后支撐”的原則進(jìn)行,計算下階段內(nèi)力和變形時,計入上階段的先期位移值及支撐變形.當(dāng)結(jié)構(gòu)體系和荷載均發(fā)生變化時,按分步計算進(jìn)行疊加和按最終階段的荷載總量進(jìn)行計算,其結(jié)果是完全不同的.因此為正確反映各階段的受力情況,可采用增量法進(jìn)行計算,即荷載以增量的形式,加到不斷變化的結(jié)構(gòu)體系上,每階段只計算本階段結(jié)構(gòu)在荷載增量作用下的內(nèi)力及位移,其實際的內(nèi)力狀態(tài)為與以前各階段的內(nèi)力與位移的疊加值.
為方便計算,上海地鐵1號線推薦采用的計算方法是:開挖階段采用平面模型計算(或空間計算軟件),回筑階段(拆支撐)和使用階段一般只用兩個工況,疊加兩階段的結(jié)果得到最后結(jié)果.由于兩階段的計算結(jié)果(單元不同,節(jié)點不同)無法完全對應(yīng),只能采用插值計算的方法近似計算,而且端頭井空間效應(yīng)比較明顯,墻體位移兩頭小,中間大.因此,對于開挖階段應(yīng)分不同部位計算,并在計算兩端墻體時,應(yīng)該考慮側(cè)墻對位移的有利作用(增加支撐彈簧剛度),并在回筑階段采用對應(yīng)位置的計算值疊加.
需要注意的是:對于不同順序的施工過程(如吊裝孔和端頭井框架柱后澆),受力狀態(tài)是完全不同的,計算中是無法完全得到體現(xiàn)的.
根據(jù)對端頭井進(jìn)行空間分析表明:最大彎矩在量級上與平面計算結(jié)果相近,但彎矩的分布形式與平面結(jié)果相差甚大[2].根據(jù)以往計算的經(jīng)驗, 底板以下部分的連續(xù)墻對整體結(jié)構(gòu)受力影響不大,整體計算中可不予考慮.因此,對于端頭井結(jié)構(gòu),只要能解決主要的受力問題,在計算模型上適當(dāng)做出一定程度的簡化還是可行的.
2.3 端頭井計算方法
根據(jù)施工方法的特殊要求,在端頭井計算中有如下問題需要解決.
a. 由于吊裝孔大開洞的存在,側(cè)向力由頂、中水平框架梁,壁柱組成的壁式框架與水平縱橫向框架梁共同形成支撐結(jié)構(gòu)來承受.計算中可以假設(shè)側(cè)向力為一次加載,不考慮施工過程的影響.
b. 后澆端頭井框架柱時,由于缺少框架柱的支撐,對頂板的影響較大.計算中可以按照施工階段(無柱)和使用階段(有柱)兩種情況分別計算,按照不同的計算結(jié)果包絡(luò)配筋.
c. 計算端頭井內(nèi)外墻間的剪應(yīng)力,當(dāng)剪應(yīng)力超過混凝土的抗剪強度時,應(yīng)調(diào)整計算模型,按照重合結(jié)構(gòu)計算.
以上問題均可采用整體建模的方式解決.但為減少設(shè)計工作量,加快設(shè)計速度,在計算時均可以簡化為平面模型,即平面結(jié)構(gòu)承受平面外作用力.
由于平面結(jié)構(gòu)的邊界轉(zhuǎn)動剛度不易確定,在計算過程中,可分別按照邊界簡支和固定兩種情況計算.對正彎矩、負(fù)彎矩分別取控制值,在裂縫配筋過程中,當(dāng)鋼筋布置有困難時,考慮到計算值偏大,鋼筋可按照模數(shù)排放,裂縫配筋適當(dāng)放寬.
3 端頭井計算實例
某地下兩層車站,端頭井外包尺寸為24.2m(長)×15.6m(寬);端頭井埋深最深為18.063m;頂板平均覆土2.376m.圍護(hù)結(jié)構(gòu)為連續(xù)墻,端頭井設(shè)置內(nèi)襯,標(biāo)準(zhǔn)段為單層墻,采用C30混凝土.端頭井處地面超載為20kPa,土壓力按朗肯土壓力理論計算.
采用ANSYS軟件計算[3,4],考慮標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)與端頭井結(jié)構(gòu)之間的影響,模型包含兩跨標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)(表1,2).
具體實現(xiàn)步驟是:定義單元類型;定義材料參數(shù);定義實常數(shù);定義截面尺寸;建立幾何模型;定義單元并離散成為有限元模型;施加荷載和邊界條件;求解并分析結(jié)果.
BEAM189為帶中間節(jié)點的3節(jié)點梁單元,可用于模擬梁的各種受力狀態(tài):彎、剪、扭和軸力.SHELL93為帶中間節(jié)點的8節(jié)點殼單元,可以用于模擬板的彎曲和翹曲.SHELL99為多層8節(jié)點殼單元,可以用于模擬連續(xù)墻和內(nèi)襯墻的雙層結(jié)構(gòu).由于連續(xù)墻采用柔性接頭時,在水平方向沒有可靠連接,無法承受拉力,也就無法承受彎矩作用.使用SHELL99單元時,可以通過分別定義不同層的材料參數(shù)解決正交異性的問題.LINK10為單向受力(受拉或者受壓)桿單元,可以用于模擬土體對結(jié)構(gòu)的支承作用.
4 計算結(jié)果與分析
a.端頭井結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)明顯.梁、柱均為復(fù)雜受力狀態(tài)(圖2,3),壁柱承受很大的彎矩,水平框架梁承受較大的軸力,而且大多數(shù)構(gòu)件還承受不小的扭矩和剪力.這就要求在設(shè)計中,必須全面地分析計算結(jié)果.另外,在后澆吊裝孔處的框架梁時,側(cè)墻及水平框架梁的變形大部分已經(jīng)完成,此時的框架梁對壁式框架的支撐作用有限,在計算中不應(yīng)完全考慮,可以在水平框架梁相應(yīng)位置適量增加構(gòu)造負(fù)彎矩鋼筋.
b. 圖4中,最大應(yīng)力為2142kPa,出現(xiàn)在水平縱向框架梁(壁式框架的水平支座)處,其它位置剪應(yīng)力均小于C30混凝土的剪切標(biāo)準(zhǔn)值2010kPa.考慮到水平縱向框架梁的鋼筋與連續(xù)墻采取了可靠連接,而且只是局部區(qū)域,可以認(rèn)為剪應(yīng)力沒有超過材料的抗剪強度,連續(xù)墻與內(nèi)襯的結(jié)合面能夠傳遞剪力,滿足設(shè)計的假設(shè).此外,根據(jù)上海地區(qū)現(xiàn)場測量的應(yīng)力值,在標(biāo)準(zhǔn)段,連續(xù)墻與內(nèi)襯之間的剪應(yīng)力更小,一般為700～1000kPa.
c. 對于掉頭井,在施工階段,頂板上已經(jīng)回填土,并且地面交通已經(jīng)恢復(fù),而此時框架柱尚未澆筑.因此,此時的頂板結(jié)構(gòu)只有四邊支承,頂板的框架梁跨度很大,其剛度只是整個端頭井頂板剛度的4～6倍.圖5中,梁跨中位移較大,形成了板沿X方向的彎矩較大,與圖6所示的使用階段情況有較大區(qū)別,此時的內(nèi)力值在整個計算過程中為控制內(nèi)力.
d. 由于施工階段沒有考慮水反力的作用,而在使用階段的水反力要大于整個結(jié)構(gòu)的豎向力(不計連續(xù)墻的摩擦力),因此在兩個階段的轉(zhuǎn)換過程中,后澆的框架柱對頂板還是有較大支撐作用的,實際結(jié)果應(yīng)是兩個階段計算結(jié)果的中間值.如果采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算,為滿足梁的裂縫計算要求,頂板梁的截面高度要做到2.5～2.7m,而板的彎矩和配筋則很小,顯然是不經(jīng)濟的.在頂板覆土只有2.5m的情況下,也不滿足結(jié)構(gòu)最少覆土的要求.
e. 由于結(jié)構(gòu)板較厚,剛度較大,它對梁的影響不可忽略,特別是縱向框架的邊跨,在圖5和圖6中可以看到,邊跨在與端頭井相交處有很大的彎矩.因此,當(dāng)計算縱向框架的時候,不能將邊跨完全取為簡支,而應(yīng)考慮部分板的嵌固作用.
f. 在圖5和圖6中可以看到,地鐵車站樓板有類似無梁樓蓋的受力特征,有明顯的柱上板帶和跨中板帶,設(shè)計時應(yīng)該考慮樓板的彎矩調(diào)幅.
5 結(jié) 語
對端頭井的計算分析結(jié)果表明,端頭井的空間效應(yīng)明顯,梁、柱的受力狀態(tài)復(fù)雜.嚴(yán)格意義上說,端頭井結(jié)構(gòu)的計算應(yīng)該完全按照施工順序進(jìn)行計算.施工過程當(dāng)中存在構(gòu)件后澆、構(gòu)件尺寸的突變(回筑階段出現(xiàn)內(nèi)襯)和土體的脫離(水反力控制工況)的情況,整個計算過程應(yīng)該是非線性的.但由于有限元軟件的使用較為復(fù)雜,而且不便于后處理(需要設(shè)置子步及生死單元),在實際設(shè)計過程中基本不采用.
當(dāng)對端頭井結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較細(xì)致的計算分析之后,在設(shè)計階段可據(jù)此進(jìn)行簡化計算,從而進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化.因此,地鐵端頭井的設(shè)計中進(jìn)行有限元分析計算是具有一定的實際意義的.
參考文獻(xiàn)
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