裝配式鋼結(jié)構(gòu)反力墻受力分析研究

汪鵬，張振，王松

（中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230022）

1 引言

綜合管廊工程是指在城市道路下建造一個(gè)市政公用隧道，將電力、通信、供水、燃?xì)舛喾N市政管線集中在一起，實(shí)行“統(tǒng)一計(jì)劃、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理”，以做到地下空間的綜合利用和資源共享。?？谧鳛槿珖?guó)首批地下綜合管廊試點(diǎn)城市之一，計(jì)劃建成地下綜合管廊96.47km。在?？诠芾冉ㄔO(shè)中，首次采用U型盾構(gòu)施工方法，可節(jié)省工費(fèi)和縮短工期[1]。

圖1 U型盾構(gòu)機(jī)

該種盾構(gòu)需要在始發(fā)井內(nèi)組裝成型，需要始發(fā)井內(nèi)設(shè)置反力墻提供較大的頂進(jìn)反力。反力墻是一種為框架涵、頂管、盾構(gòu)等頂進(jìn)設(shè)備提供頂進(jìn)反力的結(jié)構(gòu)，一般的頂力后背為鋼筋混凝土墻，這種混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠并且可以提供很大的反力[2]。

根據(jù)?？诠芾软?xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)的反力墻要求能夠可拆卸多次使用，可以根據(jù)不同管廊截面調(diào)節(jié)反力墻的大小[3]。

始發(fā)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圍護(hù)樁和鋼板樁2種支護(hù)形式，分別對(duì)2種支護(hù)形式下反力墻受力情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。

支撐反力墻的鋼圍檁采用H300×300型鋼，間距80cm，與圍護(hù)樁之間采用上掛下?lián)涡问竭M(jìn)行連接[4]。

2 模型建立

為了確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，建立實(shí)體模型。

鋼結(jié)構(gòu)反力墻分為2個(gè)構(gòu)件組成，分別為角件和邊件，2個(gè)構(gòu)件之間采用法蘭盤連接，其中邊件可以分為多種型號(hào)，通過調(diào)節(jié)邊件長(zhǎng)度來(lái)適應(yīng)單艙管廊和雙艙管廊，如圖2所示。

圖2 角件和邊件

圖3 鋼結(jié)構(gòu)反力墻

鋼圍檁的作用是將盾構(gòu)機(jī)施加在反力墻上的作用力平均分配到圍護(hù)樁上，使圍護(hù)樁和反力墻更加協(xié)調(diào)工作。

①土體模型：土體采用彈性材料模擬，選取一種砂質(zhì)粘土的土質(zhì)參數(shù)，E=30MPa，v=0.45頂托在模型中使用2cm厚鋼墊片，目的是為了更好地分擔(dān)千斤頂?shù)牧Α?/p>

②連接：所有連接均采用綁定，圍檁與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間采用無(wú)摩擦接觸。

圖4 鋼圍檁

③邊界條件：邊界條件為將土體三面固定，在鋼頂托上施加法向力。

④工況介紹：鋼結(jié)構(gòu)頂力后背主要受力為盾構(gòu)頂進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的千斤頂反力，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，單倉(cāng)管廊最大頂進(jìn)力為6000kN，雙倉(cāng)管廊最大頂進(jìn)力為10000kN。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 鋼板樁計(jì)算結(jié)果

當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Ⅳ型鋼板樁時(shí)，計(jì)算結(jié)果如下。

3.1.1 單艙管廊

單倉(cāng)管廊反力墻在6000kN的頂推力作用下，其各部分應(yīng)力及變形情況如下圖。

圖5 鋼圍檁應(yīng)力云圖

圖6 反力墻應(yīng)力云圖

圖7 整體位移云圖

由圖可見，在6000kN頂推力的情況下，鋼圍檁部分最大應(yīng)力為232.37MPa，反力墻最大應(yīng)力為143.07MPa，整個(gè)結(jié)構(gòu)最大位移為11.83mm。

圖8 鋼圍檁應(yīng)力云圖

圖9 反力墻應(yīng)力云圖

圖10 整體位移云圖

3.1.2 雙艙管廊

雙艙反力墻在1000kN頂推力作用下，其各部分應(yīng)力及變形情況如下圖。

圖11 鋼圍檁應(yīng)力云圖

圖12 反力墻應(yīng)力云圖

圖13 整體位移云圖

由圖可見，在10000kN頂推力的情況下，鋼圍檁部分最大應(yīng)力為210MPa，反力墻最大應(yīng)力為106.6MPa，整個(gè)結(jié)構(gòu)最大位移為16.7mm。

3.2 鉆孔樁計(jì)算結(jié)果

3.2.1 單艙管廊

由圖可見，在6000kN的頂推力作用下，鋼圍檁部分最大應(yīng)力為101.69MPa，反力墻最大應(yīng)力為218.16MPa，整個(gè)結(jié)構(gòu)最大位移為14.385mm。

3.2.2 雙艙管廊

圖14 鋼圍檁應(yīng)力云圖

圖15 反力墻應(yīng)力云圖

圖16 整體位移云圖

由圖可見，在10000kN的頂推力作用下，鋼圍檁部分最大應(yīng)力為140.83MPa，反力墻最大應(yīng)力為191.37MPa，整個(gè)結(jié)構(gòu)最大位移為17.864mm。

4 結(jié)論

①經(jīng)過計(jì)算，可知相同作用下，鉆孔樁支護(hù)時(shí)，頂力后背應(yīng)力較大，鋼圍檁應(yīng)力較小，鋼板樁支護(hù)時(shí)，頂力后背應(yīng)力較小，鋼圍檁應(yīng)力較大，而4種情況下構(gòu)件應(yīng)力均小于235MPa，構(gòu)件可在正常荷載下正常使用。

②在相同作用下，鋼板樁的位移小于鉆孔樁，單倉(cāng)雙倉(cāng)情況下，兩種支護(hù)形式的位移分別為11.8mm、16.7mm、14.84mm、17.86mm。