貝雷梁組合支架對跨地鐵車站雨水管保護的施工受力分析

何振濤， 應(yīng)克忠， 方詩圣， 趙 旭

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

近年來，隨著城市規(guī)模的發(fā)展與擴大，城市交通也隨之快速的發(fā)展， 地鐵隧道的建設(shè)成為一個顯著的標(biāo)志，而在地鐵基坑開挖的過程中會遇到正處于使用狀態(tài)的雨水管道[1]。如果對管道進行改遷，則會對工程進度造成很大的影響，同時也會造成費用增加。但是如果不改遷，一旦由于施工原因?qū)е掠晁艿榔茐?，將造成非常?yán)重的后果[2]。此時也就面臨著一個技術(shù)難題：跨地鐵車站基坑雨水管線的保護。合肥某地鐵換乘車站雨水管直徑達(dá)到1.5 m，主體結(jié)構(gòu)部分雨水管的跨度為39.2 m，其中標(biāo)準(zhǔn)段跨度為25.2 m。實際工程中考慮到對雨水管變形要求較高，而懸吊方式為柔性結(jié)構(gòu)，晃動較大，故采用支撐方式對橫跨基坑雨水管進行保護，取得了很好的經(jīng)濟效益，同時也保證了安全，為以后類似的工程提供了借鑒。

1 工程概況

合肥市某地鐵車站沿東西向布置，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為25.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為16.50 m～16.18 m。該車站施工過程中有一條雨水管橫跨基坑內(nèi)部，為了保證主體的施工及雨水管的正常使用，需要對雨水管進行保護，管徑1 500 mm，壁厚16 mm，其中D出入口臨時置換長度為17.8 m，主體結(jié)構(gòu)部分的雨水管長度為39.2 m。雨水管設(shè)計位置位于冠梁之上,其平面位置圖如圖1所示。[3]水流流向由北向南，通過設(shè)置雨水管保證了南北排水暢通。工程的重點和難點之一是對于雨水管的保護。

圖1 DN1500雨水管平面位置圖

2 雨水管保護施工設(shè)計

對跨基坑的市政雨水管線的保護措施常有懸吊法[4]與貝雷梁支撐法。懸吊法結(jié)構(gòu)簡單，適用于工期短，跨度較小的雨水管的保護；但是懸吊結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)，晃動幅度較大。貝雷梁支撐結(jié)構(gòu)形式簡單，受力明確，剛度大，雨水管穩(wěn)定性好，適用于工期長，跨度大的雨水管的保護[5]。

雨水管跨基坑時考慮的是雨水管的保護，雨水管的保護主要考慮其變形。只有保證了雨水管的安全，施工過程中的安全才能夠保證，結(jié)合實際，本工程采用貝雷梁組合支架支撐法。

雨水管支撐保護采用貝雷梁組合支架結(jié)構(gòu)，分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)采用單層雙排貝雷片組合梁為橋跨主梁，橫向采用工字鋼及承托構(gòu)件固定支撐臨時雨水管道；下部結(jié)構(gòu)利用結(jié)構(gòu)冠梁及臨時支撐格構(gòu)柱，格構(gòu)柱支撐橫梁采用[40C槽鋼，通過襯托板與鋼格構(gòu)柱墩焊接牢固。其中橋跨布置為14+12.55+6.7+5.95=39.2 m。貝雷片梁組合梁橋，橋面寬度2.56 m，縱坡0%，橋架軸線方向與地鐵車站圍護排樁垂直。為了防止貝雷梁組合支架下?lián)线^大，雨水管變形過大導(dǎo)致雨水管接頭處出現(xiàn)滲水，對于各跨設(shè)置預(yù)拱。第一跨按二次拋物線設(shè)置預(yù)拱，跨中向上預(yù)拱12 mm，第二跨按二次拋物線設(shè)置預(yù)拱，跨中向上10 mm，其余各跨不設(shè)預(yù)拱，如圖2所示。

圖2 預(yù)拱布置圖

荷載的傳遞路徑自上而下為雨水管荷載傳遞至小橫梁，小橫梁通過貝雷梁組合支架傳遞至大橫梁和冠梁，再通過鋼格構(gòu)柱和支護樁傳遞至基礎(chǔ),如圖3所示。其中貝雷梁組合支架與小橫梁采用U形螺栓連接，如圖4所示。

圖3 雨水管保護橫梁處斷面圖

圖4 U形螺栓大樣圖

雨水管管底與小橫梁之間采用承托連接，管底承托采用工20b工字鋼制作，弧形板采用10 mm厚鋼板彎曲后焊接在工字鋼上，從而限制雨水管的橫向移動,如圖5所示。管底和承托之間設(shè)置厚度20 mm、寬度150 mm的油毛氈，承托與橫梁之間對其后采用四面圍焊，焊縫厚度為6 mm。本工程采用承托作為固定措施，不僅限制了雨水管的橫向移動，同時增加了橫梁的有效高度從而增強了橫梁的剛度，使得雨水管更加的穩(wěn)定，有效減小了其變形。

圖5 承托大樣圖

3 數(shù)值分析

本工程采用的是“321”型雙排單層貝雷梁組合支架，簡化為簡支梁模型，計算跨徑為3 m×13=39 m，支座兩端置于冠梁上，兩排貝雷架之間中心間距為0.2 m。橫梁長度為2.56 m，橫橋向內(nèi)側(cè)貝雷架中心間距為19.3 m，雨水管計算長度L為42.2 m，由橫梁支撐，位于中間位置。雨水管直徑D為1.5 m，厚度t為16 mm，鋼材采用Q345B級鋼。計算時雨水管為無壓滿水狀態(tài)，只考慮自重，沒有考慮雨水對于管道的壓力。

3.1 雨水管數(shù)值計算

利用MIDAS Civil軟件建立有限元模型，將雨水管簡化為多跨連續(xù)梁模型，考慮到雨水管較長，根據(jù)圣維南原理，雨水管遠(yuǎn)端對雨水管主跨的內(nèi)力影響較小，端頭冠梁支座處取雨水管直徑的2倍，將兩端支撐點設(shè)為固結(jié)，其余各支撐點設(shè)為鉸接[6]，計算簡圖如圖6所示。梁單元Z方向撓度如圖7所示。

圖6 雨水管計算簡圖

圖7 梁單元Z方向撓度圖

由圖7可知，雨水管的最大撓度為0.016 mm

3.2 貝雷梁組合支架數(shù)值計算

3.2.1 荷載計算

貝雷梁組合支架的荷載除了本身的自重外，還包括雨水管對貝雷梁組合支架橫梁的作用，將雨水管的支反力反向作用于貝雷梁組合支架橫梁，對于貝雷梁組合支架進行受力分析[7]。貝雷梁組合支架橫梁共26根，即26個支撐點，每個橫梁支撐點受力為37.8 kN。

3.2.2 結(jié)構(gòu)驗算

首先利用MIDAS Civil軟件建立有限元模型，共建立節(jié)點1 542個，單元2 028個，邊界條件一般支撐20個，彈性連接364個，釋放梁端約束48個，2片貝雷梁組合支架之間的連接為鉸接，建立的有限元模型如圖8所示。

圖8 貝雷梁組合支架有限元模型

(1)強度驗算。給有限元模型施加荷載和邊界條件，通過求解器模塊進行計算得到貝雷梁組合支架有限元模型的組合應(yīng)力圖、主桁架的組合內(nèi)力圖以及橫梁的組合應(yīng)力圖，如圖9所示。

圖9 貝雷梁組合支架組合應(yīng)力圖

根據(jù)有限元模型計算得到的結(jié)果，整個貝雷梁組合支架的最大組合應(yīng)力發(fā)生在主桁架上，貝雷梁組合支架組合應(yīng)力的最大拉應(yīng)力為143.7 MPa<[σ]=207 MPa，最大壓應(yīng)力為203.8 MPa<[σ]=207 MPa，貝雷梁組合支架的組合應(yīng)力沒有達(dá)到許用應(yīng)力，且實際上荷載要比施加的荷載小，所以強度是合格的。

貝雷梁組合支架主桁架的最大應(yīng)力為143.7 MPa<[σ]=207 MPa，強度是合格的。

橫梁的最大應(yīng)力為131 MPa<[σ]=207 MPa，強度是合格的。

(2)剛度驗算。通過對有限元軟件的計算結(jié)果進行分析，得到貝雷梁組合支架與橫梁的撓度，如圖10所示。

圖10 貝雷梁組合支架與橫梁撓度圖

根據(jù)上圖得到的結(jié)果，最不利位置為貝雷梁組合支架下?lián)献畲蟮奈恢茫畲蟮膿隙葹?.96 mm

通過對于方案進行設(shè)計以及有限元軟件對雨水管以及貝雷梁的結(jié)構(gòu)驗算，從技術(shù)上說明該結(jié)構(gòu)的合理性。

4 施工監(jiān)測

施工過程中，通過開展施工監(jiān)測并及時收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠掌握支撐結(jié)構(gòu)的變形和受力狀態(tài)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整支撐方案，指導(dǎo)施工，保證結(jié)構(gòu)安全和人身安全。為了保證雨水管以及貝雷梁組合支架保護措施的安全，在管線的最不利位置(雨水管第一跨跨中和第二跨跨中)設(shè)置了豎向位移監(jiān)測測點，用高精度水準(zhǔn)儀進行監(jiān)測[8]，其中關(guān)鍵施工階段的雨水管沉降值如圖10所示(YS1、YS2和YS3表示豎向位移監(jiān)測測點)。

圖10 雨水管沉降值

監(jiān)測結(jié)果表明，沉降值在2～6 mm，模擬采用無壓滿水狀態(tài)進行計算，最大沉降值為7.96 mm，實際工程中雨水管未處于滿水狀態(tài)，比實際監(jiān)測值大。因此，貝雷梁組合支架支撐方案在理論上是可行的，驗算是通過的。從監(jiān)測的結(jié)果與計算的結(jié)果對比分析來看，計算的結(jié)果較大，原因是計算時將雨水管考慮為充滿水的狀態(tài)，實際工程的結(jié)果表明了其可行性。

5 結(jié) 論

本文以跨合肥市某地鐵車站基坑雨水管的保護為背景，介紹了合肥市某跨地鐵車站貝雷梁組合支架支撐雨水管保護的方案，對于保護方案進行設(shè)計以及強度和剛度的驗算，得到如下結(jié)論。

(1)結(jié)合本工程的特點，采用貝雷梁組合支架結(jié)構(gòu)對地鐵車站雨水管進行保護，結(jié)構(gòu)受力明確，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約成本。

(2)貝雷梁組合支架支撐保護結(jié)構(gòu)的力學(xué)受力分析結(jié)果表明最不利位置處貝雷梁組合支架主桁架的強度小于其承載能力，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，Z方向最大撓度在范圍之內(nèi)，強度和剛度均滿足設(shè)計的要求。

(3)實際施工過程中，受基坑開挖的影響，雨水管周圍土體會產(chǎn)生不均勻沉降，從而對雨水管及其保護結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生影響，在支撐保護結(jié)構(gòu)中增加貝雷梁組合支架的預(yù)拱度以及運用承托限制了其橫向移動，一定條件下減緩了不均勻沉降對其保護結(jié)構(gòu)的變形影響，且貝雷梁組合支架的保護方案在使用過程中滿足設(shè)計的要求，實際工程中保證了施工的正常進行。因此，雨水管貝雷梁組合支架支撐保護的施工設(shè)計是安全可行的，同時為以后類似的工程提供了寶貴的經(jīng)驗。