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        地下一體化結(jié)構(gòu)零桿最優(yōu)理論

        2022-03-12 04:14:48王壽生
        特種結(jié)構(gòu) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:隔墻環(huán)路軸力

        王壽生

        上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 200092

        引言

        目前,大量建設(shè)的地下建筑物有軌道交通、地下商業(yè)、綜合管廊、地下隧道等。綜合管廊改變傳統(tǒng)直埋方式,避免了重復(fù)施工、減小環(huán)境影響、增加管線安全性等。然而,單獨(dú)的綜合管廊建設(shè)存在協(xié)調(diào)管理難度大、維護(hù)成本高、易與各地下建(構(gòu))筑物沖突的問題,導(dǎo)致發(fā)展受到一定程度影響[1]。

        城市地下隧道在城市核心區(qū)作為連接各地塊的交通動(dòng)脈,往往需要連接各個(gè)地塊地下二層,甚至地下三層,導(dǎo)致了隧道整體埋深較大,覆土往往達(dá)到6m以上,需要設(shè)置空腔減小覆土荷載。文獻(xiàn)分析認(rèn)為利用空腔設(shè)置管廊能有效減緩地面沉降及不均勻性[2]。地下空間資源如采用一體化方案,巧妙地將空腔充分加以利用,與綜合管廊共同建設(shè),形成樞紐型地下結(jié)構(gòu),不僅節(jié)省了造價(jià),更縮短了開發(fā)周期,解決了城市眾多基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)期過長的痛點(diǎn)。

        在一體化設(shè)計(jì)方案中,中隔墻根據(jù)受力模式,可以分為拉桿、壓桿以及零桿三種狀態(tài)。實(shí)際工程中,三者皆有,主要與各個(gè)構(gòu)件之間的剛度比相關(guān),各有優(yōu)缺點(diǎn)。壓桿狀態(tài)下,頂板與中板共同受力,形成轉(zhuǎn)換體系,能優(yōu)化頂板厚度但增大中板厚度;拉桿狀態(tài)下,能優(yōu)化中板厚度,但中隔墻作為豎向構(gòu)件主要承受拉力較為不利,在地震作用下容易損壞;零桿則集兩者優(yōu)點(diǎn),后文詳細(xì)分析。

        目前,國內(nèi)地下隧道與綜合管廊一體化設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探索,如珠海市橫琴第三通道工程、武漢王家墩商務(wù)區(qū)核心區(qū)環(huán)廊工程[3]、南京某地鐵區(qū)間隧道與綜合管廊合建工程[4],但鮮有對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析總結(jié),本文以義烏老城區(qū)更新區(qū)塊地下環(huán)路工程為實(shí)際案例,對(duì)一體化結(jié)構(gòu)板厚進(jìn)行優(yōu)化分析,提出“零桿最優(yōu)理論”,探索一體化體經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式。

        1 工程概況

        義烏老城區(qū)更新區(qū)塊地下環(huán)路配套工程主要包含地下環(huán)路、綜合管廊、地面道路及排水、海綿城市等,地下環(huán)路沿市政道路布置,首尾相連形成一閉合環(huán)路,單向三車道規(guī)模,逆時(shí)針交通組織,全長約2.0km,主要布置于地下B2層。地下環(huán)路上方設(shè)置環(huán)路通風(fēng)道以及管廊,管廊的設(shè)備房間在局部節(jié)點(diǎn)結(jié)合環(huán)路的設(shè)備房間集中設(shè)置,為單孔雙層暗埋箱涵結(jié)構(gòu),平均覆土約3m。結(jié)構(gòu)凈寬10.9m,地下一層凈高2.5m,地下二層凈高4.2m,標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。結(jié)構(gòu)尺寸如下:頂板800mm,側(cè)墻800mm,底板1000mm,中板500mm,中隔墻300mm。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限100年,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)一級(jí),采用C35混凝土,底板下為中微風(fēng)化巖,采用天然基礎(chǔ)。

        圖1 一體化結(jié)構(gòu)典型斷面Fig.1 Typical section of co-construct structure

        2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

        雙層箱涵結(jié)構(gòu)根據(jù)其荷載形式,主要有三種受力模式。其一,以頂板、側(cè)墻及底板形成的矩形箱涵為主要受力體系,中板及中隔墻作為附屬結(jié)構(gòu)依附;其二,以中板、側(cè)墻及底板形成的矩形箱涵為主,頂板可優(yōu)化縮減至最薄,使得中板完全起轉(zhuǎn)換作用;其三,介于兩者之間。受力模式與荷載分布亦相關(guān),本地下結(jié)構(gòu)荷載主要包括:結(jié)構(gòu)自重、吊頂裝飾(1.5kPa)、頂板覆土(54kPa)、側(cè)向土壓力(51~173kPa)、水浮力(120kPa)、地面超載(20kPa)、管廊活載(5kPa)、側(cè)向活載(10kPa),并根據(jù)地勘報(bào)告施加側(cè)向彈簧及底部彈簧。因此,如何選擇合理的受力體系關(guān)系到結(jié)構(gòu)整體工程量。

        結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算,在控制各層板處于最優(yōu)配筋率、不采用抗剪箍筋的條件下,得出滿足給定荷載條件下(3m覆土、頂板考慮20kPa車行荷載)保證結(jié)構(gòu)滿足承載力及裂縫要求的板厚,并繪制頂板厚度、中板厚度-中隔墻軸力關(guān)系圖,如圖2所示。

        圖2 板厚與中隔墻軸力關(guān)系Fig.2 Relationship between the thickness of plates and the axial force of middle wall

        從圖2可以看出,中隔墻軸力在一定范圍內(nèi),隨著中板厚度增大而增大,隨著頂板厚度增大而減??;當(dāng)頂板厚度較大時(shí),頂板厚度的增大對(duì)中隔墻軸力影響較小,因?yàn)轫敯鍎偠却?,此時(shí)中隔墻基本處于完全受拉狀態(tài)。

        從圖3可以看出,當(dāng)頂板厚度較小時(shí),結(jié)構(gòu)中板為轉(zhuǎn)換板,尺寸較厚,中隔墻處于受壓狀態(tài);隨著頂板厚度增加,中板受力減小,尺寸也相應(yīng)減小,在頂板厚度為800mm時(shí),中隔墻處于零桿狀態(tài),即軸力接近于0,此時(shí)整體斷面混凝土量最??;隨著頂板厚度進(jìn)一步增大,中板厚度無法進(jìn)一步減小,且中隔墻處于受拉狀態(tài)。就受力而言,應(yīng)盡量減少混凝土構(gòu)件軸心受拉情況,就混凝土用量而言,頂板厚度增加導(dǎo)致成本相應(yīng)上升。從圖4可以看出,混凝土量隨著中隔墻軸力的增大呈V字趨勢,在中隔墻軸力接近0時(shí)達(dá)到最低。

        圖3 頂板厚度-混凝土量關(guān)系Fig.3 The relationship between the thickness of top plate and the concrete quantity

        圖4 中隔墻軸力-混凝土量關(guān)系Fig.4 Relationship between axial force and concrete quantity

        圖5 給出了中板的最小厚度同時(shí)也是最優(yōu)厚度,當(dāng)中板承擔(dān)起轉(zhuǎn)換板的作用時(shí),混凝土用量不斷上升。從圖6中可以看出,中板厚度/頂板厚度=0.5時(shí),總混凝土量最低,同時(shí)該點(diǎn)也是中隔墻受力為零點(diǎn),即零桿最優(yōu)點(diǎn),該數(shù)值為設(shè)計(jì)提供了初步估計(jì)依據(jù),仍需要根據(jù)覆土厚度、地面超載情況進(jìn)行調(diào)整??傮w而言,通過定量計(jì)算分析可以得出,在中隔墻軸力為0kN時(shí),結(jié)構(gòu)總體工程量最低,即零桿最優(yōu)理論。

        圖5 中板厚度-混凝土量關(guān)系Fig.5 Relationship between thickness of middle plate and concrete quantity

        圖6 中板厚度/頂板厚度-混凝土量關(guān)系Fig.6 Relationship between thickness of middle/top plate and concrete quantity

        在零桿最優(yōu)狀態(tài)下,中隔墻與側(cè)墻凈距離分別為1.7m(單艙最小凈寬)、3.0m、4.3m(給水及電力單艙凈寬)、5.5m(結(jié)構(gòu)中心位置)時(shí),軸力分別為49kN(拉)、11kN(拉)、-7.5kN(壓)、-13.8kN(壓),如圖7所示。從結(jié)果可以看出,除極端最小凈寬狀態(tài)下受力稍大,基本可以認(rèn)為中隔墻受力變化不大,仍處于零桿狀態(tài),故中隔墻可以自由布置,提供了更大的靈活性。

        圖7 中隔墻凈距與軸力關(guān)系Fig.7 Relationship between distance of middle and side wall versus axial force

        3 結(jié)語

        雙層箱涵結(jié)構(gòu)地下一層中隔墻受力為零時(shí),整體混凝土量最小。同時(shí),零桿最優(yōu)狀態(tài)下,頂板、中板的變形相對(duì)一致,故中隔墻的調(diào)整對(duì)結(jié)構(gòu)影響小,中隔墻可以自由布置,提供了靈活的地下空間。本文探索的一體化體經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式可為類似工程提供技術(shù)借鑒與參考。

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