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地鐵端頭井的設(shè)計(jì)計(jì)算方法探討論文
摘 要:簡(jiǎn)要介紹地鐵設(shè)計(jì)的基本方法,著重介紹端頭井的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、端頭井計(jì)算的模型和計(jì)算中存在的問(wèn)題,探討了端頭井的分析計(jì)算方法.實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)于端頭井結(jié)構(gòu),不適宜采用平面框架進(jìn)行計(jì)算.在空間分析的前提下,在計(jì)算模型上適當(dāng)做出一定程度的簡(jiǎn)化,對(duì)構(gòu)件的主要受力特征作了分析和總結(jié),通過(guò)和平面結(jié)構(gòu)的對(duì)比,提出了端頭井結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題.所得計(jì)算結(jié)果合理,對(duì)工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用.
關(guān)鍵詞:地鐵; 端頭井; 設(shè)計(jì)
1地鐵設(shè)計(jì)的基本方法
目前地鐵設(shè)計(jì)中,基本計(jì)算方法如下.
a.極限平衡法.無(wú)法反映施工過(guò)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(jì)算結(jié)果與實(shí)際出入越大,已較少采用.
b.平面有限元法.由于計(jì)算參數(shù)難以準(zhǔn)確取值以及計(jì)算工作量大,目前在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很少直接用平面有限元法的計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù).有時(shí),結(jié)合某些重大工程技術(shù)問(wèn)題的處理,把它作為一種輔助的計(jì)算手段.
c.土抗力法(也稱(chēng)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(kāi)挖過(guò)程變化,在開(kāi)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(dòng)土壓力.用土抗力對(duì)擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí),按側(cè)向地基上的結(jié)構(gòu)計(jì)算,用壓縮剛度等效的土體彈簧,模擬地層對(duì)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(shí)際內(nèi)力及位移;在用增量法計(jì)算時(shí),外荷載和所求得的體系內(nèi)力及位移都是相對(duì)于前一個(gè)施工階段完成后的增量.一般說(shuō)來(lái),增量法是解決非線(xiàn)性受力繼承性問(wèn)題的有效手段, 總量法只能用于線(xiàn)性受力繼承性問(wèn)題的分析中.作為非線(xiàn)性問(wèn)題的特例,增量法也可應(yīng)用于線(xiàn)性受力問(wèn)題的分析,但不如總量法簡(jiǎn)便.當(dāng)前在工程設(shè)計(jì)中,基坑支護(hù)受力問(wèn)題大多可視為線(xiàn)性的,但有時(shí)也會(huì)遇到非線(xiàn)性問(wèn)題.非線(xiàn)性問(wèn)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(gè)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(jì)算
在地鐵結(jié)構(gòu)中,端頭井(也稱(chēng)作盾構(gòu)工作井)作為地鐵區(qū)間隧道施工時(shí)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(mǎn)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(guò)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(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段一般為狹長(zhǎng)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(jì)算[1].
由于端頭井結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬比接近1.0,支撐結(jié)構(gòu)一般采用斜向布置,支撐長(zhǎng)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(shí)會(huì)有比較大的誤差.而且端頭井結(jié)構(gòu)在開(kāi)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(shí)呈現(xiàn)出彎曲和扭曲的情況.
當(dāng)結(jié)構(gòu)樓板有大開(kāi)洞的情況時(shí),樓板無(wú)法對(duì)側(cè)墻提供支撐,這就要求使用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來(lái)平衡側(cè)向力.一般設(shè)計(jì)采用的方法是在側(cè)墻處設(shè)置壁柱,并在樓板開(kāi)洞處對(duì)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(shí),對(duì)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(chē)輛荷載,對(duì)頂板框架梁和板的設(shè)計(jì)提出了較高要求;對(duì)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(shí)同時(shí)施工底板框架梁上翻部分.
平面框架計(jì)算的方法無(wú)法完成端頭井的特殊受力計(jì)算要求,一般采用的計(jì)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(lèi)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(jì)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(shí),采用復(fù)合墻計(jì)算法,墻體計(jì)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(shí),按重合結(jié)構(gòu)計(jì)算,但要考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯墻之間有、無(wú)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(jiǎn)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(duì)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(duì)連續(xù)墻圍護(hù)的端頭井計(jì)算.
對(duì)于連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu),當(dāng)采用柔性接頭時(shí),柔性接頭處傳遞剪力的能力較差.因此,無(wú)論對(duì)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(shí)(正彎矩),接頭為受壓狀態(tài),此時(shí)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(shí)(負(fù)彎矩),接頭為受拉狀態(tài),此時(shí)的構(gòu)件截面應(yīng)該將連續(xù)墻厚度扣除.
2.2 端頭井計(jì)算存在的問(wèn)題
對(duì)于空間結(jié)構(gòu),應(yīng)該采用較為真實(shí)的整體模型進(jìn)行分析.所采用的計(jì)算模式,應(yīng)和結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力條件相吻合,并能反映結(jié)構(gòu)與周?chē)貙拥南嗷プ饔?結(jié)構(gòu)計(jì)算遵循“先變位、后支撐”的原則進(jìn)行,計(jì)算下階段內(nèi)力和變形時(shí),計(jì)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(shí),按分步計(jì)算進(jìn)行疊加和按最終階段的荷載總量進(jìn)行計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(jì)算,上海地鐵1號(hào)線(xiàn)推薦采用的計(jì)算方法是:開(kāi)挖階段采用平面模型計(jì)算(或空間計(jì)算軟件),回筑階段(拆支撐)和使用階段一般只用兩個(gè)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(jì)算結(jié)果(單元不同,節(jié)點(diǎn)不同)無(wú)法完全對(duì)應(yīng),只能采用插值計(jì)算的方法近似計(jì)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(duì)于開(kāi)挖階段應(yīng)分不同部位計(jì)算,并在計(jì)算兩端墻體時(shí),應(yīng)該考慮側(cè)墻對(duì)位移的有利作用(增加支撐彈簧剛度),并在回筑階段采用對(duì)應(yīng)位置的計(jì)算值疊加.
需要注意的是:對(duì)于不同順序的施工過(guò)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(jì)算中是無(wú)法完全得到體現(xiàn)的.
根據(jù)對(duì)端頭井進(jìn)行空間分析表明:最大彎矩在量級(jí)上與平面計(jì)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(jì)算的經(jīng)驗(yàn), 底板以下部分的連續(xù)墻對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力影響不大,整體計(jì)算中可不予考慮.因此,對(duì)于端頭井結(jié)構(gòu),只要能解決主要的受力問(wèn)題,在計(jì)算模型上適當(dāng)做出一定程度的簡(jiǎn)化還是可行的.
2.3 端頭井計(jì)算方法
根據(jù)施工方法的特殊要求,在端頭井計(jì)算中有如下問(wèn)題需要解決.
a. 由于吊裝孔大開(kāi)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(lái)承受.計(jì)算中可以假設(shè)側(cè)向力為一次加載,不考慮施工過(guò)程的影響.
b. 后澆端頭井框架柱時(shí),由于缺少框架柱的支撐,對(duì)頂板的影響較大.計(jì)算中可以按照施工階段(無(wú)柱)和使用階段(有柱)兩種情況分別計(jì)算,按照不同的計(jì)算結(jié)果包絡(luò)配筋.
c. 計(jì)算端頭井內(nèi)外墻間的剪應(yīng)力,當(dāng)剪應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗剪強(qiáng)度時(shí),應(yīng)調(diào)整計(jì)算模型,按照重合結(jié)構(gòu)計(jì)算.
以上問(wèn)題均可采用整體建模的方式解決.但為減少設(shè)計(jì)工作量,加快設(shè)計(jì)速度,在計(jì)算時(shí)均可以簡(jiǎn)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(dòng)剛度不易確定,在計(jì)算過(guò)程中,可分別按照邊界簡(jiǎn)支和固定兩種情況計(jì)算.對(duì)正彎矩、負(fù)彎矩分別取控制值,在裂縫配筋過(guò)程中,當(dāng)鋼筋布置有困難時(shí),考慮到計(jì)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(jì)算實(shí)例
某地下兩層車(chē)站,端頭井外包尺寸為24.2m(長(zhǎng))×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(jì)算.
采用ANSYS軟件計(jì)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(shí)現(xiàn)步驟是:定義單元類(lèi)型;定義材料參數(shù);定義實(shí)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(diǎn)的3節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧?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(diǎn)的8節(jié)點(diǎn)殼單元,可以用于模擬板的彎曲和翹曲.SHELL99為多層8節(jié)點(diǎn)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(shí),在水平方向沒(méi)有可靠連接,無(wú)法承受拉力,也就無(wú)法承受彎矩作用.使用SHELL99單元時(shí),可以通過(guò)分別定義不同層的材料參數(shù)解決正交異性的問(wèn)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(duì)結(jié)構(gòu)的支承作用.
4 計(jì)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(jì)中,必須全面地分析計(jì)算結(jié)果.另外,在后澆吊裝孔處的框架梁時(shí),側(cè)墻及水平框架梁的變形大部分已經(jīng)完成,此時(shí)的框架梁對(duì)壁式框架的支撐作用有限,在計(jì)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(méi)有超過(guò)材料的抗剪強(qiáng)度,連續(xù)墻與內(nèi)襯的結(jié)合面能夠傳遞剪力,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的假設(shè).此外,根據(jù)上海地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(duì)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(shí)框架柱尚未澆筑.因此,此時(shí)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(gè)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(shí)的內(nèi)力值在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中為控制內(nèi)力.
d. 由于施工階段沒(méi)有考慮水反力的作用,而在使用階段的水反力要大于整個(gè)結(jié)構(gòu)的豎向力(不計(jì)連續(xù)墻的摩擦力),因此在兩個(gè)階段的轉(zhuǎn)換過(guò)程中,后澆的框架柱對(duì)頂板還是有較大支撐作用的,實(shí)際結(jié)果應(yīng)是兩個(gè)階段計(jì)算結(jié)果的中間值.如果采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算,為滿(mǎn)足梁的裂縫計(jì)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(jì)的.在頂板覆土只有2.5m的情況下,也不滿(mǎn)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(duì)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(jì)算縱向框架的時(shí)候,不能將邊跨完全取為簡(jiǎn)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(chē)站樓板有類(lèi)似無(wú)梁樓蓋的受力特征,有明顯的柱上板帶和跨中板帶,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮樓板的彎矩調(diào)幅.
5 結(jié) 語(yǔ)
對(duì)端頭井的計(jì)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(shuō),端頭井結(jié)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)該完全按照施工順序進(jìn)行計(jì)算.施工過(guò)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(gè)計(jì)算過(guò)程應(yīng)該是非線(xiàn)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(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中基本不采用.
當(dāng)對(duì)端頭井結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較細(xì)致的計(jì)算分析之后,在設(shè)計(jì)階段可據(jù)此進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算,從而進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化.因此,地鐵端頭井的設(shè)計(jì)中進(jìn)行有限元分析計(jì)算是具有一定的實(shí)際意義的.
參考文獻(xiàn)
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