极端气候条件下地铁围挡结构设计与数值仿真计算

□文/柴艳飞

极端气候条件下地铁围挡结构设计与数值仿真计算

□文/柴艳飞

目前，国内轨道交通施工场地使用的围挡一般均为砖围挡，不仅施工成本高，而且不可回收利用，不利于环境保护的实施。文章提出砖砌块矮墙+夹芯彩钢板围挡结构作为施工场地围挡结构并且通过数值模拟验证了极端气候条件下该围挡的结构的安全性和稳定性。

围挡；数值模拟；极端气候；轨道交通

轨道交通工程建设量逐年增大，施工场地的围挡建设量非常大。场地围挡结构属于临时性建筑物，但是围挡一般紧邻路面或是建构筑物，有的近临河流、湖泊等，其安全性和稳定性至关重要，尤其在自然条件比较恶劣的情况下，安全与稳定性，灵活与美观性，施工周期与经济性均是设计考虑的核心问题。

1　围挡设计原则

本文涉及的围挡适用于国内地铁车站及隧道区间、施工竖井等永久性施工围挡、临时围挡设计与施工。

1）围挡材料、结构尺寸及外饰面等的要求满足安全性、坚固性、灵便性、美观性、经济性等基本功能需求。

2）考虑当地气候影响。充分考虑气候，尤其是风力的影响，以乌鲁木齐地区为例，乌鲁木齐多年平均风速为2.4m/s，最大风速38m/s（瞬时），本文围挡设计考虑极端风速（11级大风）条件下结构稳定性设计。

2　设计方案

2.1围挡矮墙及基础

围挡结构设计首先要确保结构稳定，本工程围挡结构承受的最大水平荷载是风荷载，根据对疆乌鲁木齐气象站的气象数据进行统计分析,近58 a乌鲁木齐最大风速为30.7m/s。

基础部分采用整体稳定性更好，施工更快速的混凝土结构（C20混凝土），截面尺寸高×宽为300mm× 300mm，矮墙采用施工较快的24砖砌体墙，矮墙结构尺寸高×宽为500mm×240mm。

矮墙底部地面设置5‰的排水坡度，坡度宽度为500mm，减少雨季雨水和春融期雪水对基础的腐蚀和浸泡。

2.2立柱

设计主要考虑结构稳定性、施工方便、施工速度及经济成本，相比较砖砌体及混凝土柱，型钢具有强度高，可以预制拼装，施工快捷灵便，可以重复利用，不仅可以节约成本，而且可以节能减排，降低环境污染，所以本工程的围挡立柱采用型钢。

根据围挡荷载传递路径，最终的荷载均由立柱来承担，立柱下部设立混凝土基础，混凝土采用C20商品混凝土。为预埋钢立柱固定的高强螺栓和提高立柱整体的稳定性，立柱矮墙采用C20商品混凝土，立柱间距为4m，相邻双立柱的净距为300mm，每隔一个围挡，围挡立柱后面设置一道角钢斜撑（L75×6），斜撑与围挡立柱采用M 10螺栓连接，围挡采用50mm夹芯彩钢板，彩钢板上下设置上下横梁，上下横梁均设置槽钢，用来固定夹芯彩钢板，上下横梁插入围挡立柱预留方口内，与围挡立柱连接固定。围挡立柱顶部设置柱头盖帽，增加立柱的美观性。

2.3围挡板设计

围挡板结构设计主要考虑稳定性、施工灵便性及经济性，对比国内轨道交通及建筑工地围挡板的特点，结合乌鲁木齐的气候条件，围挡板采用形式为夹芯彩钢板即厚度为0.426mm彩钢板+50mm岩棉+0.426mm彩钢板，单块围挡板采用标准化尺寸，即2m×2m，围挡板边设置凹凸卡槽。为加快施工速度，采用在围挡上下横梁加设槽钢卡扣的连接形式，实现围挡板的快速安装和拆卸。

考虑到新疆乌鲁木齐气候条件，本方案对围挡在乌鲁木齐极端大风气候条件即11级大风下进行结构稳定性计算，为使围挡结构更加牢固安全，在立柱后面每隔一个围挡板，架设一道斜撑，斜撑采用等边角钢。

3　围挡稳定性数值分析

围挡结构设计首先要确保结构稳定，由于本工程处于乌鲁木齐市区，受风荷载影响最大且施工工期较长，故考虑围挡结构抗风能力。

围挡结构自重对围挡抗倾覆是有利荷载，本围挡为轻质夹心彩钢板加型钢立柱，自重较小，围挡抗倾覆稳定性计算中不予考虑。

风荷载作用下围挡容易产生倾覆失稳，按最不利情况考虑，风向为水平、垂直于围挡方向时风力最大，因为永久围挡较高，以永久围挡为例，对围挡的结构进行抗风稳定性分析计算。

风荷载计算。工程工期约为6 a，设计围挡按照承受50 a一遇大风，根据GB 50009—2011《建筑结构荷载规范》可以查得，乌鲁木齐市区50 a一遇基本风压为0.6kN/m2。

围挡结构荷载传递。受力结构主要为型钢立柱、锚固螺栓及斜撑角钢，对整个围挡抗倾覆稳定的关键点在于锚固螺栓的抗弯拉和抗剪强度。矮墙砖砌基础由于自重较大，而且高度较低，自身具有抗风能力，作用在下座上的风荷载不考虑其传递到型钢立柱上。设计风压为1.33 kN/m2，风压传至立柱为均布荷载，均布荷载q=1.33×4=5.32（kN/m）。

3.1稳定性计算

围挡型钢立柱与地面采用高强螺栓连接，可以视为固接，剪力由4个螺栓（不考虑斜撑角钢的加强作用）。

仅考虑风荷载产生的弯矩仅由4个螺栓承担，为了增强围挡结构的稳定性，在极端大风情况下仍能保证安全稳定，在围挡立柱，每隔一个围挡，增加一个角钢斜撑。

3.2数值仿真计算

为验证所设计的围挡的稳定性和安全性，采用SAP2000有限元软件，按照1∶1模型，实际模拟乌鲁木齐11级大风条件下，围挡结构的应力、应变情况。

模型为一个钢立柱彩钢板（双层铁皮夹岩棉），钢立柱间距为4m，围挡高度为6m，钢立柱采用H PB235级型钢，钢立柱的截面为矩形截面，梁截面尺寸为150mm×150mm×5mm（厚度），考虑风荷载，基本风压为0.6 kN/m2（乌鲁木齐50a一遇风荷载），地面粗糙类型。

经过多个工况分析，围挡板在11级大风情况下，围挡结构最大应力出现在立柱和围挡板的底部，最大应力达到196 MPa，见图1，而Q 235钢材的屈服强度达到了235 MPa，围挡板在11级大风情况下，钢材仍然没有达到屈服强度，说明结构强度满足要求，围挡结构最大变形出现在围挡的上部，在11级大风极端恶劣的情况下，最大位移达到49mm，底部最大位移为3.5mm，见图2，围挡板变形在弹性变形范围内，满足设计要求。

图1　围挡结构应力

图2　围挡结构变形

4　结语

围挡结构作为地铁工程临时性建筑，在全国范围内均没有引起足够重视，发生过多起围挡破坏、失稳事故，造成了巨大生命财产损失。目前很多地区采用砖围挡，不仅成本高，而且结构存在很大的安全隐患。本文通过对围挡的安全、稳定性进行数值仿真计算，验证了砖砌块矮墙+夹芯彩钢板围挡结构的安全、稳定性，希望本文的围挡结构设计可以为乌鲁木齐轨道交通和国内围挡结构设计提供借鉴和参考。

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.03.025

□U231

□C

□1008-3197（2015）03-65-02

□2015-01-12

□柴艳飞/男，1986年出生，工程师，硕士，中建六局，从事岩土工程、地下结构工程研究工作。