型鋼-混凝土組合梁在地下車站工程中的應用技術研究

王 薇，韓建偉，王玉玨，馬雅林

(1.四川科技職業(yè)學院，成都 610031;2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院，太原 030009;3.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

1 概述

大體積混凝土施工時，受到澆筑混凝土水化熱、混凝土收縮變形等有關于混凝土體積穩(wěn)定性因素的影響，將促使結構產生過多有害裂縫。另外，由于建筑物上部結構荷載的不一致性而使地基產生的不均勻沉降，也會使超靜定結構產生不利于結構承載能力的次內力。因此，在選定混凝土的原材料、配合比、施工工法、養(yǎng)護及溫度監(jiān)控等措施的基礎上，必要情況下須通過結構設計措施減小不利因素產生的影響［6］。一般情況對于大體積混凝土厚板結構可采用設置后澆帶的措施來達到這一目的。

但是，施工過程中在后澆帶沒有澆筑之前，設置后澆帶的地方既不能為結構整體傳遞水平力，也不承擔垂直荷載，因此，后澆帶作為整體結構的一部分承受荷載作用，該部分也是整體結構中的薄弱之處。對于采用逆作法施工的大型地下結構，在基坑開挖的施工過程中結構必須能夠有效承擔周圍的土壓力荷載，尤其是地質條件較差區(qū)域的大型地下結構，周圍土壓力荷載是極為關鍵的施工安全控制因素［1-3］。此時，為使結構在此施工過程中能夠有效承擔周圍土壓力荷載，在需要設置后澆帶的位置，不但要設置臨時性的水平傳力帶，還要設置臨時性立柱，如圖1所示。因此，若結構設計中需要設置的后澆帶較多，則會需要較多的臨時性立柱及傳力帶，進而就會使施工復雜化、增加施工成本、延長工期。

圖1 后澆帶處橫撐的一般處理法(單位:mm)

為此，提出采用型鋼-混凝土組合結構，即在結構的主梁和次梁中嵌入H型鋼，以此結構來承受土壓力造成的水平荷載作用及結構豎向荷載作用。同時，還可以利用型鋼所具有的適當?shù)膭偠燃把有裕瑏斫鉀Q施工過程的溫度應力和基礎不均勻沉降帶來的影響。該技術在某城市大型地下車站施工過程中得到應用，并取得了較好的效果。

2 實際應用過程的模擬計算與分析

2.1 工程概況

某市地鐵1號線中的一個主要車站工程位于城市重要交通主干道湖濱中路與湖濱南路交叉口位置，總建筑面積為27 283.68 m2，主體建筑高度為9.15 m。工程所在位置地質條件特殊，流失性強，因此基坑開挖過程邊坡防護問題是整個工程施工過程的重點問題。經(jīng)過反復比選最終確定的施工方案為:開挖面積較小一側以鋼結構作支撐受力構件，主體工程結構采用正挖正做的方法;另一側開挖面積較大，采用梁板結構做支撐，主體工程結構按中順邊逆的工法施工。在樓板施工過程中，在后澆帶設置位置肋梁斷開部分采用預埋H型鋼將肋梁連接成為整體，承受施工荷載。預埋型鋼構造如圖2、圖3所示。

圖2 型鋼組合結構(單位:mm)

2.2 結構整體模型的處理與分析計算

圖3 型鋼—混凝土組合梁現(xiàn)場應用情況

根據(jù)結構特點對該結構采用大型有限元軟件進行建模計算。整體計算時預設置后澆帶位置為梁單元。通過整體計算確定方案的安全性、可行性。同時從整體計算的結果中可得出預設置后澆帶位置局部需承擔的內力最大值，進而可對型鋼-混凝土組合結構進行抗彎、抗剪和抗壓受力分析，并對其安全性進行驗算。結構整體計算模型如圖4所示。型鋼-混凝土組合梁計算模型如圖5所示。計算結果見表1～表3，圖6、圖7。

圖4 結構整體計算模型

圖5 型鋼-混凝土組合梁計算模型

表1 模型所需材料屬性

表2 結構內力計算結果

表3 結構應力計算結果 MPa

圖6 組合梁正應力圖示

圖7 組合梁剪應力圖示

3 組合梁錨固段局部應力有限元計算分析

在組合梁的設計和計算中，錨固段的設計和計算是關鍵問題之一。因為錨固段是兩種材料構件傳力的關鍵部位，因此錨固段工作的安全可靠是保證結構正常工作的前提。錨固段受力復雜，通常處于壓彎剪復合應力狀態(tài)，因此研究并弄清楚錨固段的受力性能、破壞機理，使節(jié)點設計得傳力明確、計算可靠，構造合理是非常重要的。采用精細彈性有限元模型對型鋼組合結構進行細節(jié)化的分析計算，其目的是為了模擬型鋼組合結構在荷載作用下，型鋼錨固范圍內應力的變化，計算組合結構內力，對其安全性、可靠性進行驗算，并最終確定最佳錨固長度。

3.1 有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

采用四面體實體單元對組合梁建立局部模型進行分析。按照整體模型計算結果，于組合梁梁端施加軸向壓力3 200 kN及力矩500 kN·m。建模時要注意錨固段構造應與結構分析所采用的設計圖相符合，必須滿足在正常使用荷載下的變形連續(xù)條件和在極限設計荷載下的靜力平衡條件。組合梁在應用時型鋼表面焊接剪力釘以增強型鋼與混凝土之間的粘結性，避免型鋼與混凝土之間出現(xiàn)相對滑移。本次計算假設型鋼和混凝土構件之間粘結可靠，不出現(xiàn)滑移。建模時通過型鋼單元與混凝土單元節(jié)點之間的耦合操作來實現(xiàn)兩者間的粘結作用。其計算模型如圖8、圖9所示(另一側關于z－x平面對稱)。

圖8 組合梁局部計算幾何模型

圖9 組合梁局部計算有限元模型

3.2 計算結果

為比較分析錨固段的受力特點，分別按照錨固長度為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、1.75 m及2.00 m共7種工況對組合梁進行計算分析。其計算結果見表4，圖10、圖11。

表4 型鋼軸向正應力分布 MPa

圖10 錨固長2 m型鋼軸向應力等值線軸測圖

圖11 錨固長1 m型鋼軸向應力等值線軸測圖

由計算結果可以看出，型鋼應力在錨固段由外側到內側大幅度減小，在0.5 m(即1倍梁高)范圍內變化幅度較大，隨后變化較為平緩。

該項施工措施在某城市大型地下車站結構施工中得到了合理應用，目前該項目主體結構基本完工。施工過程應力監(jiān)測結果表明:型鋼錨固段在0～0.41 m范圍內，應力由117.3 MPa降至65.2 MPa，變化梯度較大，隨后逐步趨于平緩，為65.0 MPa左右。由此可以看出，理論分析結果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢基本吻合，型鋼錨固段長度取值較為合理。

4 結論

實際應用證明，型鋼－混凝土組合結構實現(xiàn)了超厚超大地下結構施工過程中有效承受土壓力造成的水平荷載作用及結構豎向荷載作用，確保了施工安全。通過理論分析與實際應用效果對比得出以下結論。

(1)型鋼-混凝土組合結構在大型地下結構施工中的應用，取得了良好的社會經(jīng)濟效益，節(jié)約了施工成本，縮短了施工工期。

(2)該項施工措施在解決施工過程的溫度應力和基礎不均勻沉降等不利因素方面取得了較好的效果。

(3)由理論計算和實際監(jiān)測可知，在0.5 m長度內，腹板內力減小極快，而0.5 m長度外，型鋼梁內力變化逐漸趨于平穩(wěn)，說明該結構所采用的型鋼錨固長度取值較為合理。

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