王 薇，韓建偉，王玉玨，馬雅林

(1.四川科技職業(yè)學(xué)院，成都 610031;2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司太原設(shè)計院，太原 030009;3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)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(guān)于混凝土體積穩(wěn)定性因素的影響，將促使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過多有害裂縫。另外，由于建筑物上部結(jié)構(gòu)荷載的不一致性而使地基產(chǎn)生的不均勻沉降，也會使超靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利于結(jié)構(gòu)承載能力的次內(nèi)力。因此，在選定混凝土的原材料、配合比、施工工法、養(yǎng)護(hù)及溫度監(jiān)控等措施的基礎(chǔ)上，必要情況下須通過結(jié)構(gòu)設(shè)計措施減小不利因素產(chǎn)生的影響［6］。一般情況對于大體積混凝土厚板結(jié)構(gòu)可采用設(shè)置后澆帶的措施來達(dá)到這一目的。

但是，施工過程中在后澆帶沒有澆筑之前，設(shè)置后澆帶的地方既不能為結(jié)構(gòu)整體傳遞水平力，也不承擔(dān)垂直荷載，因此，后澆帶作為整體結(jié)構(gòu)的一部分承受荷載作用，該部分也是整體結(jié)構(gòu)中的薄弱之處。對于采用逆作法施工的大型地下結(jié)構(gòu)，在基坑開挖的施工過程中結(jié)構(gòu)必須能夠有效承擔(dān)周圍的土壓力荷載，尤其是地質(zhì)條件較差區(qū)域的大型地下結(jié)構(gòu)，周圍土壓力荷載是極為關(guān)鍵的施工安全控制因素［1-3］。此時，為使結(jié)構(gòu)在此施工過程中能夠有效承擔(dān)周圍土壓力荷載，在需要設(shè)置后澆帶的位置，不但要設(shè)置臨時性的水平傳力帶，還要設(shè)置臨時性立柱，如圖1所示。因此，若結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要設(shè)置的后澆帶較多，則會需要較多的臨時性立柱及傳力帶，進(jìn)而就會使施工復(fù)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(jié)構(gòu)，即在結(jié)構(gòu)的主梁和次梁中嵌入H型鋼，以此結(jié)構(gòu)來承受土壓力造成的水平荷載作用及結(jié)構(gòu)豎向荷載作用。同時，還可以利用型鋼所具有的適當(dāng)?shù)膭偠燃把有裕瑏斫鉀Q施工過程的溫度應(yīng)力和基礎(chǔ)不均勻沉降帶來的影響。該技術(shù)在某城市大型地下車站施工過程中得到應(yīng)用，并取得了較好的效果。

2 實(shí)際應(yīng)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(zhì)條件特殊，流失性強(qiáng)，因此基坑開挖過程邊坡防護(hù)問題是整個工程施工過程的重點(diǎn)問題。經(jīng)過反復(fù)比選最終確定的施工方案為:開挖面積較小一側(cè)以鋼結(jié)構(gòu)作支撐受力構(gòu)件，主體工程結(jié)構(gòu)采用正挖正做的方法;另一側(cè)開挖面積較大，采用梁板結(jié)構(gòu)做支撐，主體工程結(jié)構(gòu)按中順邊逆的工法施工。在樓板施工過程中，在后澆帶設(shè)置位置肋梁斷開部分采用預(yù)埋H型鋼將肋梁連接成為整體，承受施工荷載。預(yù)埋型鋼構(gòu)造如圖2、圖3所示。

圖2 型鋼組合結(jié)構(gòu)(單位:mm)

2.2 結(jié)構(gòu)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(yīng)用情況

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對該結(jié)構(gòu)采用大型有限元軟件進(jìn)行建模計算。整體計算時預(yù)設(shè)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(jié)果中可得出預(yù)設(shè)置后澆帶位置局部需承擔(dān)的內(nèi)力最大值，進(jìn)而可對型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗彎、抗剪和抗壓受力分析，并對其安全性進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)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(jié)果見表1～表3，圖6、圖7。

圖4 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果

表3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

圖6 組合梁正應(yīng)力圖示

圖7 組合梁剪應(yīng)力圖示

3 組合梁錨固段局部應(yīng)力有限元計算分析

在組合梁的設(shè)計和計算中，錨固段的設(shè)計和計算是關(guān)鍵問題之一。因?yàn)殄^固段是兩種材料構(gòu)件傳力的關(guān)鍵部位，因此錨固段工作的安全可靠是保證結(jié)構(gòu)正常工作的前提。錨固段受力復(fù)雜，通常處于壓彎剪復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，因此研究并弄清楚錨固段的受力性能、破壞機(jī)理，使節(jié)點(diǎn)設(shè)計得傳力明確、計算可靠，構(gòu)造合理是非常重要的。采用精細(xì)彈性有限元模型對型鋼組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)節(jié)化的分析計算，其目的是為了模擬型鋼組合結(jié)構(gòu)在荷載作用下，型鋼錨固范圍內(nèi)應(yīng)力的變化，計算組合結(jié)構(gòu)內(nèi)力，對其安全性、可靠性進(jìn)行驗(yàn)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(shí)體單元對組合梁建立局部模型進(jìn)行分析。按照整體模型計算結(jié)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(gòu)造應(yīng)與結(jié)構(gòu)分析所采用的設(shè)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(shè)計荷載下的靜力平衡條件。組合梁在應(yīng)用時型鋼表面焊接剪力釘以增強(qiáng)型鋼與混凝土之間的粘結(jié)性，避免型鋼與混凝土之間出現(xiàn)相對滑移。本次計算假設(shè)型鋼和混凝土構(gòu)件之間粘結(jié)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(diǎn)之間的耦合操作來實(shí)現(xiàn)兩者間的粘結(jié)作用。其計算模型如圖8、圖9所示(另一側(cè)關(guān)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(jié)果

為比較分析錨固段的受力特點(diǎn)，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(jìn)行計算分析。其計算結(jié)果見表4，圖10、圖11。

表4 型鋼軸向正應(yīng)力分布 MPa

圖10 錨固長2 m型鋼軸向應(yīng)力等值線軸測圖

圖11 錨固長1 m型鋼軸向應(yīng)力等值線軸測圖

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

該項(xiàng)施工措施在某城市大型地下車站結(jié)構(gòu)施工中得到了合理應(yīng)用，目前該項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)基本完工。施工過程應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明:型鋼錨固段在0～0.41 m范圍內(nèi)，應(yīng)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(jié)果與實(shí)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(jié)論

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

(1)型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在大型地下結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約了施工成本，縮短了施工工期。

(2)該項(xiàng)施工措施在解決施工過程的溫度應(yīng)力和基礎(chǔ)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(shí)際監(jiān)測可知，在0.5 m長度內(nèi)，腹板內(nèi)力減小極快，而0.5 m長度外，型鋼梁內(nèi)力變化逐漸趨于平穩(wěn)，說明該結(jié)構(gòu)所采用的型鋼錨固長度取值較為合理。

［1］田世文，等.亮馬橋站蓋挖順做地下結(jié)構(gòu)中樁柱施工技術(shù)及控制要點(diǎn)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008(12):151-154.

［2］張?zhí)┌?地鐵車站深基坑開挖鋼支撐架設(shè)及置換技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008(9):103-105.

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