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        壓頂梁與抗拔樁對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響分析

        2022-09-07 06:40:24杜昀峰
        廣東土木與建筑 2022年8期
        關(guān)鍵詞:壓頂抗浮抗拔

        杜昀峰,黃 斐

        (1、中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 北京 100055;2、中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 511458)

        0 引言

        明挖地鐵車站作為地鐵的重要組成部分,由于其箱型框架結(jié)構(gòu)形式具有整體自重小、承受水浮力大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),根據(jù)建設(shè)場(chǎng)地抗浮水位的埋深,一般需進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。選擇合適的抗浮措施不僅能節(jié)省工程投資,還能提高地鐵運(yùn)營(yíng)的安全性。

        國(guó)內(nèi)地鐵車站常用的抗浮措施有[1]:①在底板設(shè)置泄水孔,通過(guò)卸載底板下水壓力的方式達(dá)到抗浮目的;②在側(cè)墻外側(cè)底部設(shè)置墻趾,借助上部土體自重進(jìn)行抗?。虎墼趪o(hù)樁(墻)頂設(shè)置壓頂梁,借助圍護(hù)樁(墻)的自重及側(cè)摩阻力進(jìn)行抗?。虎茉诮Y(jié)構(gòu)底板下設(shè)置抗拔樁,借助抗拔樁的自重及側(cè)摩阻力進(jìn)行抗浮。其中設(shè)置泄水孔的抗浮方式主要用于車站施工階段的抗浮,設(shè)置墻趾的抗浮方式主要適用于全放坡開(kāi)挖車站。而對(duì)于采用圍護(hù)樁(墻)+內(nèi)支撐支護(hù)形式的明挖車站,通常采用壓頂梁和抗拔樁的抗浮方式。

        目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗浮措施已有相關(guān)研究。李蘭勇等人[2?3]研究了抗拔樁作為抗浮措施時(shí)的不同模擬方式,認(rèn)為樁?土彈簧模擬方式較為合理。陳麗娜[4]采用桿單元模擬抗拔樁,在樁底施加固定約束,相較于傳統(tǒng)將抗拔樁作為底縱梁不動(dòng)支座的方式,計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際工況。胡云華等人[5]認(rèn)為抗拔樁受壓時(shí),彈簧剛度與混凝土彈性模量相關(guān),抗拔樁受拉時(shí),彈簧剛度與鋼筋彈性模量相關(guān),提出采用大剛度非線性等效拉壓彈簧模擬抗拔樁;陳祥達(dá)[6]針對(duì)抗拔樁在不同受力工況下剛度不同的特性,提出多段線?荷載位移彈簧模型,該彈簧模型相對(duì)于單一彈簧更符合實(shí)際情況。李廣濤[7]采用鉸支座模擬壓頂梁,采用豎向力模擬抗拔樁,對(duì)地鐵車站進(jìn)行了整體分析。葉俊能等人[8?9]認(rèn)為車站正常使用階段不可能發(fā)生較大的隆起,建模時(shí)通過(guò)約束壓頂梁作用節(jié)點(diǎn)豎向位移2 mm 的方式進(jìn)行模擬,分析了壓頂梁對(duì)地鐵車站整體內(nèi)力與變形的影響。郭正偉[10]在模擬分析時(shí)將圍護(hù)樁和壓頂梁的自重按面荷載施加到結(jié)構(gòu)頂板壓頂梁作用范圍,分析了壓頂梁對(duì)地鐵車站主體結(jié)構(gòu)整體影響。上述研究?jī)H針對(duì)壓頂梁或抗拔樁單一作用時(shí)的抗浮狀態(tài)進(jìn)行了研究,未考慮壓頂梁與抗拔樁共同作用時(shí)的結(jié)構(gòu)受力情況,而實(shí)際工程實(shí)施中,壓頂梁與抗拔樁共同參與抗浮是較為常見(jiàn)的抗浮方式。為進(jìn)一步研究壓頂梁和抗拔樁對(duì)車站結(jié)構(gòu)受力及變形的影響規(guī)律,本文以成都某地鐵車站為研究背景,對(duì)采用壓頂梁和抗拔樁抗浮措施時(shí)的3 種工況車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析車站結(jié)構(gòu)受力和變形特征,并對(duì)明挖車站結(jié)構(gòu)抗浮措施的選擇提出建議,以期為今后類似工程提供設(shè)計(jì)思路與參考。

        1 工程背景

        成都某地鐵車站總長(zhǎng)156.8 m,標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度23.3 m,頂板覆土厚度3.5 m,底板埋深25.5 m,車站結(jié)構(gòu)橫剖面如圖1 所示。除框架柱采用C50 混凝土外,其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件均采用C35 混凝土,計(jì)算時(shí)取鋼筋混凝土重度25 kN/m3,泊松比為0.2。當(dāng)采用抗浮措施時(shí),壓頂梁、抗拔樁兩種抗浮措施的節(jié)點(diǎn)大樣如圖2所示。

        圖1 車站結(jié)構(gòu)橫剖面Fig.1 Cross-sectional of Station Structure (mm)

        圖2 壓頂梁、抗拔樁節(jié)點(diǎn)大樣Fig.2 Details of Coping Beam and Uplift Pile (mm)

        車站站址范圍地層自上至下依次為雜填土、黏土、全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖及中風(fēng)化泥巖。場(chǎng)地地下水主要有兩種類型:①賦存于黏土層之上的上層滯水;②基巖裂隙水。綜合區(qū)域水文地質(zhì)資料及本地相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),抗浮水位取地面下2 m。土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

        表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical Mechanics Parameters of Soil Layer

        2 抗浮穩(wěn)定性計(jì)算

        在位于抗浮水位條件時(shí),抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算作用效應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)下作用的基本組合,其分項(xiàng)系數(shù)為1.0。抗浮穩(wěn)定性應(yīng)符合《建筑工程抗浮技術(shù) 標(biāo) 準(zhǔn):JG J476—2019》[11]的規(guī)定。

        水浮力設(shè)計(jì)值:

        Nw,k=1.0×23.5×1×10×23.3=5 476 kN/m

        車站結(jié)構(gòu)自重設(shè)計(jì)值:

        G1=1.0×3 358=3 358 kN/m

        覆土自重設(shè)計(jì)值:

        G2=1.0×23.3×3.5×1×19=1 549 kN/m

        圍護(hù)樁及壓頂梁自重設(shè)計(jì)值:

        G3=1.0×384=384 kN/m

        圍護(hù)樁參與抗浮時(shí),由于基坑開(kāi)挖及樁體變形對(duì)樁周土體產(chǎn)生擾動(dòng),影響圍護(hù)樁側(cè)摩阻力,出于安全考慮,基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)圍護(hù)樁側(cè)摩阻力按0.5 折減系數(shù)進(jìn)行折減。

        圍護(hù)樁抗拔承載力特征值:

        當(dāng)采用抗拔樁參與抗浮時(shí):

        3 結(jié)構(gòu)整體數(shù)值分析

        由上述計(jì)算可知,單獨(dú)采用壓頂梁或抗拔樁進(jìn)行抗浮均可滿足抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算要求。但是在實(shí)際地鐵工程實(shí)施中,本著工程經(jīng)濟(jì)性的原則,較少單獨(dú)采用抗拔樁抗浮。通常優(yōu)先采用壓頂梁進(jìn)行抗浮,當(dāng)采用壓頂梁無(wú)法滿足抗浮穩(wěn)定性計(jì)算要求時(shí),則增設(shè)抗拔樁共同參與抗浮。本文旨在分析壓頂梁和抗拔樁對(duì)結(jié)構(gòu)受力及變形的影響規(guī)律,未考慮其經(jīng)濟(jì)性。為研究壓頂梁和抗拔樁對(duì)車站結(jié)構(gòu)受力及變形的影響規(guī)律,建立如下3個(gè)工況計(jì)算模型:

        ⑴工況1:采用壓頂梁進(jìn)行抗浮的車站結(jié)構(gòu)模型。壓頂梁設(shè)置于兩側(cè)墻頂部。

        ⑵工況2:采用抗拔樁進(jìn)行抗浮的車站結(jié)構(gòu)模型。抗拔樁設(shè)置于兩中柱底部。

        ⑶工況3:同時(shí)設(shè)置壓頂梁和抗拔樁進(jìn)行抗浮的車站結(jié)構(gòu)模型。壓頂梁設(shè)置于兩側(cè)墻頂部,抗拔樁設(shè)置于兩中柱底部。

        3.1 計(jì)算模型

        計(jì)算軟件采用大型結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件Sap2000建立荷載?結(jié)構(gòu)模型,沿車站縱向取單位長(zhǎng)度按底板支承在有限彈性地基上的平面框架進(jìn)行分析。水土壓力采用水土分算,豎向土壓力按全土柱重量施加,水平土壓力按靜止土壓力施加,水壓力按靜止水壓力施加。壓頂梁與抗拔樁采用多段線?荷載位移模型進(jìn)行模擬[6],并在Sap2000 軟件中利用Multilinear Elastic 2點(diǎn)連接單元實(shí)現(xiàn)。車站結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖3所示。

        圖3 計(jì)算模型Fig.3 Calculation Model

        3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

        車站結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)下變形如圖4 所示??梢钥闯觯?/p>

        圖4 正常使用極限狀態(tài)下的位移Fig.4 Displacement of Serviceability Limit State

        ⑴工況1,車站結(jié)構(gòu)在壓頂梁的約束下,受水浮力作用,結(jié)構(gòu)整體呈以兩端壓頂梁為支座的單跨撓曲變形特征,各層板在中間跨跨中位置均出現(xiàn)較大+z方向位移,兩端受壓頂梁約束,+z方向位移較小。z方向最大位移位于底板跨中,為+14.7 mm。x方向最大位移位于側(cè)墻?3層跨中,為向背土側(cè)位移1.6 mm。

        ⑵工況2,車站結(jié)構(gòu)在抗拔樁的約束下,受水浮力作用,結(jié)構(gòu)整體呈上浮狀態(tài),抗拔樁對(duì)兩中柱起到約束作用,頂板及中一板、中二板位移較為均勻,呈波浪形分布。各層板的位移均小于工況1。z方向最大位移位于底板跨中,為+8.2 mm。x方向最大位移位于側(cè)墻?3層跨中,為向背土側(cè)位移2.4 mm。

        ⑶工況3,車站結(jié)構(gòu)在壓頂梁和抗拔樁的共同約束作用下,受水浮力作用,結(jié)構(gòu)整體上浮位移較小。由于壓頂梁剛度大于抗拔樁,各層板在側(cè)墻位置的位移明顯小于中柱位移。側(cè)墻在?3 層跨中彎矩大于其他工況。z方向最大位移位于底板跨中,為+7.3 mm。x方向最大位移位于側(cè)墻?3 層跨中,為向背土側(cè)位移3.6 mm。

        對(duì)比工況1 與工況3,可以看出,在采用壓頂梁抗浮措施條件下,增加抗拔樁措施,對(duì)減少各層板的中柱位置位移效果明顯。對(duì)比工況2 與工況3,可以看出,在采用抗拔樁抗浮措施條件下,增加壓頂梁措施,對(duì)減少各層板的側(cè)墻位置位移效果明顯。

        車站結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下彎矩如圖5 所示??梢钥闯觯?/p>

        圖5 承載能力極限狀態(tài)下的彎矩Fig.5 Bending Moment of Ultimate Limit State

        ⑴工況1,車站結(jié)構(gòu)各層板內(nèi)力呈以兩端壓頂梁為支座的單跨受力特征,底板的側(cè)墻支座彎矩和中間跨的跨中彎矩大于其他工況,且兩個(gè)中柱支座處彎矩為負(fù)彎矩。頂板及中一板、中二板邊跨的跨中彎矩和中柱支座彎矩大于其他工況,且中間跨跨中處彎矩為負(fù)彎矩,側(cè)墻支座彎矩小于其他工況。側(cè)墻的底板支座彎矩大于其他工況。

        ⑵工況2,底板的側(cè)墻支座彎矩小于工況1,中柱支座處受抗拔樁約束作用,呈正彎矩。頂板及中一板、中二板的彎矩分布較均勻,結(jié)構(gòu)受力較為合理。側(cè)墻在?3層跨中彎矩大于其他工況。

        ⑶工況3,底板內(nèi)力與工況2 較為相似。頂板及中一板、中二板的側(cè)墻支座彎矩小于工況2,中間支座的彎矩大于工況2。

        對(duì)比工況1 與工況2,可以看出,在采用壓頂梁抗浮措施條件下,增加抗拔樁措施,可減小各層板中柱支座彎矩,增大側(cè)墻支座彎矩。對(duì)比工況2 與工況3,可以看出,在采用抗拔樁抗浮措施條件下,增加壓頂梁措施,可減少頂板、中一板、中二板的側(cè)墻支座彎矩,增大中柱支座彎矩。

        4 結(jié)論

        對(duì)上述3 種抗浮工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析其受力與變形特征,得出如下結(jié)論:

        ⑴從工程經(jīng)濟(jì)性來(lái)看,壓頂梁作為地鐵最為常用抗浮措施,能借助圍護(hù)樁(墻)的自重與側(cè)摩阻力參與抗浮,經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于抗拔樁,但其對(duì)車站結(jié)構(gòu)整體受力不利。采用壓頂梁抗浮方案時(shí),結(jié)構(gòu)整體呈以兩端壓頂梁為支座的單跨撓曲變形,且車站寬度越大,底板撓曲變形越明顯,對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力越不利。

        ⑵從車站結(jié)構(gòu)整體受力來(lái)看,抗拔樁的設(shè)置位置具有改善車站結(jié)構(gòu)受力和變形的作用,且其在與壓頂梁共同抗浮時(shí)的作用效果大于壓頂梁。當(dāng)單獨(dú)采用壓頂梁無(wú)法滿足抗浮穩(wěn)定性計(jì)算,或車站底板變形過(guò)大、結(jié)構(gòu)整體配筋率過(guò)大時(shí),可增設(shè)抗拔樁抗浮并改善結(jié)構(gòu)受力與變形。

        ⑶當(dāng)采用壓頂梁作為抗浮措施時(shí),結(jié)構(gòu)底板與側(cè)墻節(jié)點(diǎn)內(nèi)力較大,建議對(duì)該結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)。

        ⑷實(shí)際工程中,應(yīng)根據(jù)地下水位變化,當(dāng)采用抗拔樁作為抗浮措施時(shí),其存在承壓和抗拔兩種受力狀態(tài),應(yīng)考慮底板在抗拔樁設(shè)置位置兩個(gè)方向的抗沖切承載力。

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