地下空间结构U型组合梁转换设计关键技术

陈海斌，陈 伟

(广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010)

1 工程概况

随着城市化进程的不断推进，人口急剧膨胀，许多城市都出现中心区土地资源稀缺、生存空间拥挤、交通阻塞及环境恶化等一系列问题。当城市发展遇到瓶颈的时候，立体空间的开发就变得尤为重要，充分利用地面、高空和地下的空间，可以增大城市容量，合理开发潜在空间资源，提高交通效率，改善城市环境，加上地下交通的大力发展以及地下建筑功能的多样化特征，因此地下空间的建设已成为当今城市发展及建设的重点，现代地下建筑结构研究与应用越来越被人们重视。

万博中央商务区位于番禺区北部，地下空间工程分地下商业建筑和市政工程两大部分，其中市政工程部分又分地面道路和地下道路两个层次。汉溪大道主干道、万博二路、海顺路次干道及万惠一路、万惠二路、万博一路、汇智三路支路，沿线桥梁为地面道路系统。万惠路及万博一路负一层隧道以及地下环路系统(含主环路、循环通道及出入口隧道)组成的地下道路系统。

地下空间三层建筑结构的典型横断面，负一、二、三层分别为车行隧道、商场和主环路车行隧道，负三层主环路隧道顶板跨度为24.863 m，采用U型组合梁进行转换。

U型组合梁为首次应用在地下空间结构作为转换梁的构件，U型组合梁最大跨度25.88 m，梁高1.8 m，U型钢梁腹板厚度25 mm，底板厚度30 mm，底板和腹板设置加劲肋，腹板翼缘设置剪力钉与混凝土结构衔接。U型钢箱梁在距离两端5.25 m的范围设置倒U型钢梁，增加U型钢梁在端部的抗剪能力并抵抗负弯矩，倒U型钢梁顶板厚度30 mm，腹板厚度20 mm，顶板预留混凝土灌注孔。U型梁空腔内灌注C40混凝土，提高其作为转换梁的刚度，减少因转换梁下挠导致负一、二层立柱下沉，给上层建筑造成不利的影响。U型梁间距约4.5 m，U型梁之间采用正交异性板作为混凝土底模，方便隧道顶板混凝土浇筑。

2 有限元模型的建立与分析

2.1 有限元模型

考虑到U型组合梁的间距约为4.5 m，计算时取4.5 m的纵向宽度进行地下空间结构断面的建模。有限元模型选用实体单元进行模拟，不考虑结构的普通钢筋，采用自动实体网格四面体划分结构单元，对于混凝土结构和钢结构实体采用不同的网格尺寸，满足不同的精度要求。计算模型总单元数和总节点数分别为242 049和48 826。主要施工阶段包括。

(1)施工负三层隧道，安装U型组合梁；

(2)灌注U型组合梁混凝土；

(3)施工负二层隧道；

(4)施工负一层隧道。

本构关系。

(1)钢材本构关系为等向强化二折线模型，其中强化段E'=0.01E，采用Mises屈服准则。

图1 常数模型

(2)混凝土本构关系为弥散式总应变裂缝模型，弥散式总应变裂缝模型受拉函数选择图1的constant函数，受压函数选择图2的Thorenfeldt函数。在分析控制中选择修正Newton-Raphson方法作为迭代法类型。这种本构关系将混凝土作为各项异性的材料进行处理，受拉区混凝土应力值达到开裂应力时，混凝土垂直于拉应力方向将生成裂缝，在程序中通过修改材料本构模型来考虑裂缝对结构刚度和应力的影响。

图2 Thorenfeldt模型

2.2 分析结果

本文给出了各个施工阶段U型组合梁沿梁轴向的应力，可以看出。

(1)U型钢梁的应力水平均较低，表明U型组合梁具有足够的安全储备，U型钢梁的最大应力为25 MPa。

(2)主环路负三层隧道侧墙在U型组合梁锚固端的位置出现开裂现象，可以通过增加此处的钢筋配置来确保此处的裂缝宽度控制在允许的范围内。

3 结束语

本文结合有限元分析软件Midas FEA对万博地下空间U型组合梁大跨度转换结构进行建模，并对其受力性能进行分析，主要得到以下结论。

(1)U型组合梁适用于大跨度、 大荷载的隧道顶板设计，如顶板上托一到二层公用建筑物(商场、设备机房等)的情况下，U型组合梁的跨度可达到30～35 m，但在U型组合梁上托柱容易出现局部应力集中情况，可采用型钢加强等措施来解决。

(2)U型组合梁钢结构的应力水平较低，混凝土压应力也在允许的范围内，受力合理。

(3)U型组合梁存在众多钢格室，施工过程中应保证钢格室内部混凝土振捣密实，在U型组合梁顶板开设了注浆孔，在混凝土注浆开孔处，截面被削弱钢板应力水平会增大，导致减弱了其传力能力，在设计过程中需合理设置注浆孔的位置、数量等。

(4)隧道顶板U型组合梁存在以下优点。

①传力路线明确，上层的柱将作用力传到U型梁，再从U型组合梁传到两侧墙，楼板起到导荷载作用并不是主受力构件，这样传力路线更明确。

②U型组合梁设计可避免厚板计算中板上立柱的问题，不会形成柱对楼板冲切的薄弱区。

③U型组合梁施工方便，正交异性板可作为施工模板，节省施工时间。