地下空間結(jié)構(gòu)U型組合梁轉(zhuǎn)換設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

陳海斌，陳 偉

(廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

1 工程概況

隨著城市化進程的不斷推進，人口急劇膨脹，許多城市都出現(xiàn)中心區(qū)土地資源稀缺、生存空間擁擠、交通阻塞及環(huán)境惡化等一系列問題。當(dāng)城市發(fā)展遇到瓶頸的時候，立體空間的開發(fā)就變得尤為重要，充分利用地面、高空和地下的空間，可以增大城市容量，合理開發(fā)潛在空間資源，提高交通效率，改善城市環(huán)境，加上地下交通的大力發(fā)展以及地下建筑功能的多樣化特征，因此地下空間的建設(shè)已成為當(dāng)今城市發(fā)展及建設(shè)的重點，現(xiàn)代地下建筑結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用越來越被人們重視。

萬博中央商務(wù)區(qū)位于番禺區(qū)北部，地下空間工程分地下商業(yè)建筑和市政工程兩大部分，其中市政工程部分又分地面道路和地下道路兩個層次。漢溪大道主干道、萬博二路、海順路次干道及萬惠一路、萬惠二路、萬博一路、匯智三路支路，沿線橋梁為地面道路系統(tǒng)。萬惠路及萬博一路負一層隧道以及地下環(huán)路系統(tǒng)(含主環(huán)路、循環(huán)通道及出入口隧道)組成的地下道路系統(tǒng)。

地下空間三層建筑結(jié)構(gòu)的典型橫斷面，負一、二、三層分別為車行隧道、商場和主環(huán)路車行隧道，負三層主環(huán)路隧道頂板跨度為24.863 m，采用U型組合梁進行轉(zhuǎn)換。

U型組合梁為首次應(yīng)用在地下空間結(jié)構(gòu)作為轉(zhuǎn)換梁的構(gòu)件，U型組合梁最大跨度25.88 m，梁高1.8 m，U型鋼梁腹板厚度25 mm，底板厚度30 mm，底板和腹板設(shè)置加勁肋，腹板翼緣設(shè)置剪力釘與混凝土結(jié)構(gòu)銜接。U型鋼箱梁在距離兩端5.25 m的范圍設(shè)置倒U型鋼梁，增加U型鋼梁在端部的抗剪能力并抵抗負彎矩，倒U型鋼梁頂板厚度30 mm，腹板厚度20 mm，頂板預(yù)留混凝土灌注孔。U型梁空腔內(nèi)灌注C40混凝土，提高其作為轉(zhuǎn)換梁的剛度，減少因轉(zhuǎn)換梁下?lián)蠈?dǎo)致負一、二層立柱下沉，給上層建筑造成不利的影響。U型梁間距約4.5 m，U型梁之間采用正交異性板作為混凝土底模，方便隧道頂板混凝土澆筑。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 有限元模型

考慮到U型組合梁的間距約為4.5 m，計算時取4.5 m的縱向?qū)挾冗M行地下空間結(jié)構(gòu)斷面的建模。有限元模型選用實體單元進行模擬，不考慮結(jié)構(gòu)的普通鋼筋，采用自動實體網(wǎng)格四面體劃分結(jié)構(gòu)單元，對于混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)實體采用不同的網(wǎng)格尺寸，滿足不同的精度要求。計算模型總單元數(shù)和總節(jié)點數(shù)分別為242 049和48 826。主要施工階段包括。

(1)施工負三層隧道，安裝U型組合梁；

(2)灌注U型組合梁混凝土；

(3)施工負二層隧道；

(4)施工負一層隧道。

本構(gòu)關(guān)系。

(1)鋼材本構(gòu)關(guān)系為等向強化二折線模型，其中強化段E'=0.01E，采用Mises屈服準(zhǔn)則。

圖1 常數(shù)模型

(2)混凝土本構(gòu)關(guān)系為彌散式總應(yīng)變裂縫模型，彌散式總應(yīng)變裂縫模型受拉函數(shù)選擇圖1的constant函數(shù)，受壓函數(shù)選擇圖2的Thorenfeldt函數(shù)。在分析控制中選擇修正Newton-Raphson方法作為迭代法類型。這種本構(gòu)關(guān)系將混凝土作為各項異性的材料進行處理，受拉區(qū)混凝土應(yīng)力值達到開裂應(yīng)力時，混凝土垂直于拉應(yīng)力方向?qū)⑸闪芽p，在程序中通過修改材料本構(gòu)模型來考慮裂縫對結(jié)構(gòu)剛度和應(yīng)力的影響。

圖2 Thorenfeldt模型

2.2 分析結(jié)果

本文給出了各個施工階段U型組合梁沿梁軸向的應(yīng)力，可以看出。

(1)U型鋼梁的應(yīng)力水平均較低，表明U型組合梁具有足夠的安全儲備，U型鋼梁的最大應(yīng)力為25 MPa。

(2)主環(huán)路負三層隧道側(cè)墻在U型組合梁錨固端的位置出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，可以通過增加此處的鋼筋配置來確保此處的裂縫寬度控制在允許的范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合有限元分析軟件Midas FEA對萬博地下空間U型組合梁大跨度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進行建模，并對其受力性能進行分析，主要得到以下結(jié)論。

(1)U型組合梁適用于大跨度、 大荷載的隧道頂板設(shè)計，如頂板上托一到二層公用建筑物(商場、設(shè)備機房等)的情況下，U型組合梁的跨度可達到30～35 m，但在U型組合梁上托柱容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中情況，可采用型鋼加強等措施來解決。

(2)U型組合梁鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較低，混凝土壓應(yīng)力也在允許的范圍內(nèi)，受力合理。

(3)U型組合梁存在眾多鋼格室，施工過程中應(yīng)保證鋼格室內(nèi)部混凝土振搗密實，在U型組合梁頂板開設(shè)了注漿孔，在混凝土注漿開孔處，截面被削弱鋼板應(yīng)力水平會增大，導(dǎo)致減弱了其傳力能力，在設(shè)計過程中需合理設(shè)置注漿孔的位置、數(shù)量等。

(4)隧道頂板U型組合梁存在以下優(yōu)點。

①傳力路線明確，上層的柱將作用力傳到U型梁，再從U型組合梁傳到兩側(cè)墻，樓板起到導(dǎo)荷載作用并不是主受力構(gòu)件，這樣傳力路線更明確。

②U型組合梁設(shè)計可避免厚板計算中板上立柱的問題，不會形成柱對樓板沖切的薄弱區(qū)。

③U型組合梁施工方便，正交異性板可作為施工模板，節(jié)省施工時間。