型钢-混凝土组合梁在地下车站工程中的应用技术研究

2012-11-27韩建伟王玉珏马雅林

铁道标准设计 2012年12期

王薇，韩建伟，王玉珏，马雅林

(1.四川科技职业学院，成都 610031;2.中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院，太原 030009;3.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

1 概述

大体积混凝土施工时，受到浇筑混凝土水化热、混凝土收缩变形等有关于混凝土体积稳定性因素的影响，将促使结构产生过多有害裂缝。另外，由于建筑物上部结构荷载的不一致性而使地基产生的不均匀沉降，也会使超静定结构产生不利于结构承载能力的次内力。因此，在选定混凝土的原材料、配合比、施工工法、养护及温度监控等措施的基础上，必要情况下须通过结构设计措施减小不利因素产生的影响［6］。一般情况对于大体积混凝土厚板结构可采用设置后浇带的措施来达到这一目的。

但是，施工过程中在后浇带没有浇筑之前，设置后浇带的地方既不能为结构整体传递水平力，也不承担垂直荷载，因此，后浇带作为整体结构的一部分承受荷载作用，该部分也是整体结构中的薄弱之处。对于采用逆作法施工的大型地下结构，在基坑开挖的施工过程中结构必须能够有效承担周围的土压力荷载，尤其是地质条件较差区域的大型地下结构，周围土压力荷载是极为关键的施工安全控制因素［1-3］。此时，为使结构在此施工过程中能够有效承担周围土压力荷载，在需要设置后浇带的位置，不但要设置临时性的水平传力带，还要设置临时性立柱，如图1所示。因此，若结构设计中需要设置的后浇带较多，则会需要较多的临时性立柱及传力带，进而就会使施工复杂化、增加施工成本、延长工期。

图1 后浇带处横撑的一般处理法(单位:mm)

为此，提出采用型钢-混凝土组合结构，即在结构的主梁和次梁中嵌入H型钢，以此结构来承受土压力造成的水平荷载作用及结构竖向荷载作用。同时，还可以利用型钢所具有的适当的刚度及延性，来解决施工过程的温度应力和基础不均匀沉降带来的影响。该技术在某城市大型地下车站施工过程中得到应用，并取得了较好的效果。

2 实际应用过程的模拟计算与分析

2.1 工程概况

某市地铁1号线中的一个主要车站工程位于城市重要交通主干道湖滨中路与湖滨南路交叉口位置，总建筑面积为27 283.68 m2，主体建筑高度为9.15 m。工程所在位置地质条件特殊，流失性强，因此基坑开挖过程边坡防护问题是整个工程施工过程的重点问题。经过反复比选最终确定的施工方案为:开挖面积较小一侧以钢结构作支撑受力构件，主体工程结构采用正挖正做的方法;另一侧开挖面积较大，采用梁板结构做支撑，主体工程结构按中顺边逆的工法施工。在楼板施工过程中，在后浇带设置位置肋梁断开部分采用预埋H型钢将肋梁连接成为整体，承受施工荷载。预埋型钢构造如图2、图3所示。

图2 型钢组合结构(单位:mm)

2.2 结构整体模型的处理与分析计算

图3 型钢—混凝土组合梁现场应用情况

根据结构特点对该结构采用大型有限元软件进行建模计算。整体计算时预设置后浇带位置为梁单元。通过整体计算确定方案的安全性、可行性。同时从整体计算的结果中可得出预设置后浇带位置局部需承担的内力最大值，进而可对型钢-混凝土组合结构进行抗弯、抗剪和抗压受力分析，并对其安全性进行验算。结构整体计算模型如图4所示。型钢-混凝土组合梁计算模型如图5所示。计算结果见表1～表3，图6、图7。

图4 结构整体计算模型

图5 型钢-混凝土组合梁计算模型

表1 模型所需材料属性

表2 结构内力计算结果

表3 结构应力计算结果 MPa

图6 组合梁正应力图示

图7 组合梁剪应力图示

3 组合梁锚固段局部应力有限元计算分析

在组合梁的设计和计算中，锚固段的设计和计算是关键问题之一。因为锚固段是两种材料构件传力的关键部位，因此锚固段工作的安全可靠是保证结构正常工作的前提。锚固段受力复杂，通常处于压弯剪复合应力状态，因此研究并弄清楚锚固段的受力性能、破坏机理，使节点设计得传力明确、计算可靠，构造合理是非常重要的。采用精细弹性有限元模型对型钢组合结构进行细节化的分析计算，其目的是为了模拟型钢组合结构在荷载作用下，型钢锚固范围内应力的变化，计算组合结构内力，对其安全性、可靠性进行验算，并最终确定最佳锚固长度。

3.1 有限元模型的建立及网格划分

采用四面体实体单元对组合梁建立局部模型进行分析。按照整体模型计算结果，于组合梁梁端施加轴向压力3 200 kN及力矩500 kN·m。建模时要注意锚固段构造应与结构分析所采用的设计图相符合，必须满足在正常使用荷载下的变形连续条件和在极限设计荷载下的静力平衡条件。组合梁在应用时型钢表面焊接剪力钉以增强型钢与混凝土之间的粘结性，避免型钢与混凝土之间出现相对滑移。本次计算假设型钢和混凝土构件之间粘结可靠，不出现滑移。建模时通过型钢单元与混凝土单元节点之间的耦合操作来实现两者间的粘结作用。其计算模型如图8、图9所示(另一侧关于z－x平面对称)。

图8 组合梁局部计算几何模型

图9 组合梁局部计算有限元模型

3.2 计算结果

为比较分析锚固段的受力特点，分别按照锚固长度为0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、1.75 m及2.00 m共7种工况对组合梁进行计算分析。其计算结果见表4，图10、图11。

表4 型钢轴向正应力分布 MPa

图10 锚固长2 m型钢轴向应力等值线轴测图

图11 锚固长1 m型钢轴向应力等值线轴测图

由计算结果可以看出，型钢应力在锚固段由外侧到内侧大幅度减小，在0.5 m(即1倍梁高)范围内变化幅度较大，随后变化较为平缓。

该项施工措施在某城市大型地下车站结构施工中得到了合理应用，目前该项目主体结构基本完工。施工过程应力监测结果表明:型钢锚固段在0～0.41 m范围内，应力由117.3 MPa降至65.2 MPa，变化梯度较大，随后逐步趋于平缓，为65.0 MPa左右。由此可以看出，理论分析结果与实际监测数据变化趋势基本吻合，型钢锚固段长度取值较为合理。