地铁端头井的设计计算方式探讨.docx

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地铁端头井的设计计算方式探讨

地铁端头井的设计计算方式探讨

摘　要:

简要介绍地铁设计的大体方式,着重介绍端头井的结构类型、端头井计算的模型和计算中存在的问题,探讨了端头井的分析计算方式.实例计算结果说明,关于端头井结构,不适宜采纳平面框架进行计算.在空间分析的前提下,在计算模型上适当做出必然程度的简化,对构件的要紧受力特点作了分析和总结,通过和平面结构的对照,提出了端头井结构在设计中应该注意的问题.所得计算结果合理,对工程设计具有指导作用.

关键词:

地铁;　端头井;　设计

1地铁设计的大体方式

目前地铁设计中,大体计算方式如下.

a.极限平稳法.无法反映施工进程中墙体受力的持续性,只是一种浅基坑（支撑层数少）和支撑刚度专门大情形的近似,支撑层数越多、地层越软、墙体刚度越大,计算结果与实际出入越大,已较少采纳.

b.平面有限元法.由于计算参数难以准确取值和计算工作量大,目前在结构设计中很少直接用平面有限元法的计算结果作为设计依据.有时,结合某些重大工程技术问题的处置,把它作为一种辅助的计算手腕.

c.土抗力法（也称竖向弹性地基梁的基床系数法）.土抗力法假定墙体双侧的土压力随开挖进程转变,在开挖侧和迎土侧的墙上均设有土体弹簧,并规定迎土侧土压力随墙体向基坑一侧的变形增大而减小,但不得小于主动土压力.用土抗力对挡土结构进行内力分析时,按侧向地基上的结构计算,用紧缩刚度等效的土体弹簧,模拟地层对墙体变形的约束.

土抗力法中,大体方式有总量法（总和法）和增量法（叠加法）.总量法可直接求适当前施工时期完成后体系的实际内力及位移;在用增量法计算时,外荷载和所求得的体系内力及位移都是相关于前一个施工时期完成后的增量.一样说来,增量法是解决非线性受力继承性问题的有效手腕,总量法只能用于线性受力继承性问题的分析中.作为非线性问题的特例,增量法也可应用于线性受力问题的分析,但不如总量法简便.当前在工程设计中,基坑支护受力问题大多可视为线性的,但有时也会碰到非线性问题.非线性问题,除一样所指的构件材料和地层为弹性体外,还包括在受力的各个时期,结构构件的刚度（或结构型式）构件组成不发生改变的情形.

2端头井的计算

在地铁结构中,端头井（也称作盾构工作井）作为地铁区间隧道施工时供盾构拼装、拆卸或掉头的空间,是典型的空间结构（图1）.端头井需要知足盾构施工要求（如净空要求、吊装净尺寸要求及掉头空间要求等）,大部份情形下必需在施工进程中,在楼板预留吊装孔（如始发井）,或端头井内框架柱和框架梁必需后浇（如掉头井）.

地铁车站标准段一样为狭长型,以平面变形为主,因此标准段能够按平面框架进行受力分析计算[1].

由于端头井结构长宽比接近,支撑结构一样采纳斜向布置,支撑犬牙交错,变形的大小也不尽相同,在换算成为平面结构时会有比较大的误差.而且端头井结构在开挖时期就有比较明显的空间效应,专门是在转角处,“L”型、“T”型和“Z”型墙幅同时呈现出弯曲和扭曲的情形.

当结构楼板有大开洞的情形时,楼板无法对侧墙提供支撑,这就要求利用转换结构来平稳侧向力.一样设计采纳的方式是在侧墙处设置壁柱,并在楼板开洞处对应的侧墙位置设置水平框架梁,水平框架梁和壁柱一起组成壁式框架与纵横向的框架梁形成支撑结构,形成侧向放置的楼盖.

当端头井内框架柱必需后浇时,关于顶板结构,因框架柱浇筑以前已经存在较大覆土荷载及地面车辆荷载,对顶板框架梁和板的设计提出了较高要求;关于底板结构,因水反力尚未形成,能够考虑将部份底板框架梁下翻,预留箍筋连接器,待框架柱后浇时同时施工底板框架梁上翻部份.

平面框架计算的方式无法完成端头井的特殊受力计算要求,一样采纳的计算工具均为有限元软件,如SAP和ANSYS等.

端头井的结构类型

一样的地铁结构均分为围护结构和主体结构两部份,依照围护结构的不同能够分为密排桩围护（如钻孔灌注桩排、人工挖孔灌注桩排及SMW工法等）和板桩围护（如持续墙等）.在目前设计中,围护结构大体上均作为主体结构的一部份参与整体受力.

a.当围护结构与内衬墙结合面粘结好,能经受剪力时,采纳复合墙计算法,墙体计算厚度取内外墙厚度之和,如持续墙围护.

b.当内外墙之间设有防水层或二者结合差,不能传递剪力时,按重合结构计算,但要考虑围护结构与内衬墙之间有、无地下水压力工况,如密排桩围护.

密排桩围护受力较为简单,只需要将外力按比例分派给围护和内部结构即可.可是对持续墙围护,由于在内外墙之间存在剪应力,使得结构受力状态有较大改变,作者要紧针对持续墙围护的端头井计算.

关于持续墙围护结构,当采纳柔性接头时,柔性接头处传递剪力的能力较差.因此,不管关于侧墙结构仍是壁柱或是水平框架梁,当背土面结构受拉时（正弯矩）,接头为受压状态,现在的构件截面为全截面,即考虑持续墙厚度在内的截面;当迎土面结构受拉时（负弯矩）,接头为受拉状态,现在的构件截面应该将持续墙厚度扣除.

端头井计算存在的问题

“先变位、后支撑”的原那么进行,计算下时期内力和变形时,计入上时期的先期位移值及支撑变形.当结构体系和荷载均发生转变时,按分步计算进行叠加和按最终时期的荷载总量进行计算,其结果是完全不同的.因此为正确反映各时期的受力情形,可采纳增量法进行计算,即荷载以增量的形式,加到不断转变的结构体系上,每时期只计算本时期结构在荷载增量作用下的内力及位移,其实际的内力状态为与以前各时期的内力与位移的叠加值.

为方便计算,上海地铁1号线推荐采纳的计算方式是:

开挖时期采纳平面模型计算（或空间计算软件）,回筑时期（拆支撑）和利历时期一样只用两个工况,叠加两时期的结果取得最后结果.由于两时期的计算结果（单元不同,节点不同）无法完全对应,只能采纳插值计算的方式近似计算,而且端头井空间效应比较明显,墙体位移两头小,中间大.因此,关于开挖时期应分不同部位计算,并在计算两头墙体时,应该考虑侧墙对位移的有利作用（增加支撑弹簧刚度）,并在回筑时期采纳对应位置的计算值叠加.

需要注意的是:

关于不同顺序的施工进程（如吊装孔和端头井框架柱后浇）,受力状态是完全不同的,计算中是无法完全取得表现的.

依照对端头井进行空间分析说明:

最大弯矩在量级上与平面计算结果相近,但弯矩的散布形式与平面结果相差甚大[2].依照以往计算的体会,底板以下部份的持续墙对整体结构受力阻碍不大,整体计算中可不予考虑.因此,关于端头井结构,只要能解决要紧的受力问题,在计算模型上适当做出必然程度的简化仍是可行的.

端头井计算方式

依照施工方式的特殊要求,在端头井计算中有如下问题需要解决.

a.由于吊装孔大开洞的存在,侧向力由顶、中水平框架梁,壁柱组成的壁式框架与水平纵横向框架梁一起形成支撑结构来经受.计算中能够假设侧向力为一次加载,不考虑施工进程的阻碍.

b.后浇端头井框架柱时,由于缺少框架柱的支撑,对顶板的阻碍较大.计算中能够依照施工时期（无柱）和利历时期（有柱）两种情形别离计算,依照不同的计算结果包络配筋.

c.计算端头井内外墙间的剪应力,当剪应力超过混凝土的抗剪强度时,应调整计算模型,依照重合结构计算.

以上问题都可采纳整体建模的方式解决.但为减少设计工作量,加速设计速度,在计算时均能够简化为平面模型,即平面结构经受平面外作使劲.

由于平面结构的边界转动刚度不易确信,在计算进程中,可别离依照边界简支和固定两种情形计算.对正弯矩、负弯矩别离取操纵值,在裂痕配筋进程中,当钢筋布置有困难时,考虑到计算值偏大,钢筋可依照模数排放,裂痕配筋适当放宽.

3端头井计算实例

某地下两层车站,端头井外包尺寸为（长）×（宽）;端头井埋深最深为;顶板平均覆土.围护结构为持续墙,端头井设置内衬,标准段为单层墙,采纳C30混凝土.端头井处地面超载为20kPa,土压力按朗肯土压力理论计算.

采纳ANSYS软件计算[3,4],考虑标准段结构与端头井结构之间的阻碍,模型包括两跨标准段结构（表1,2）.

　　具体实现步骤是:

概念单元类型;概念材料参数;概念实常数;概念截面尺寸;成立几何模型;概念单元并离散成为有限元模型;施加荷载和边界条件;求解并分析结果.

BEAM189为带中间节点的3节点梁单元,可用于模拟梁的各类受力状态:

弯、剪、扭和轴力.SHELL93为带中间节点的8节点壳单元,能够用于模拟板的弯曲和翘曲.SHELL99为多层8节点壳单元,能够用于模拟持续墙和内衬墙的双层结构.由于持续墙采纳柔性接头时,在水平方向没有靠得住连接,无法经受拉力,也就无法经受弯矩作用.利用SHELL99单元时,能够通过别离概念不同层的材料参数解决正交异性的问题.LINK10为单向受力（受拉或受压）杆单元,能够用于模拟土体对结构的支承作用.

4计算结果与分析

a.端头井结构空间效应明显.梁、柱均为复杂受力状态（图2,3）,壁柱经受专门大的弯矩,水平框架梁经受较大的轴力,而且大多数构件还经受不小的扭矩和剪力.这就要求在设计中,必需全面地分析计算结果.另外,在后浇吊装孔处的框架梁时,侧墙及水平框架梁的变形大部份已经完成,现在的框架梁对壁式框架的支撑作用有限,在计算中不该完全考虑,能够在水平框架梁相应位置适量增加构造负弯矩钢筋.

b.图4中,最大应力为2142kPa,出此刻水平纵向框架梁（壁式框架的水平支座）处,其它位置剪应力均小于C30混凝土的剪切标准值2020kPa.考虑到水平纵向框架梁的钢筋与持续墙采取了靠得住连接,而且只是局部区域,能够以为剪应力没有超过材料的抗剪强度,持续墙与内衬的结合面能够传递剪力,知足设计的假设.另外,依照上海地域现场测量的应力值,在标准段,持续墙与内衬之间的剪应力更小,一样为700～1000kPa.

c.关于掉头井,在施工时期,顶板上已经回填土,而且地面交通已经恢复,而现在框架柱尚未浇筑.因此,现在的顶板结构只有四边支承,顶板的框架梁跨度专门大,其刚度只是整个端头井顶板刚度的4～6倍.图5中,梁跨中位移较大,形成了板沿X方向的弯矩较大,与图6所示的利历时期情形有较大区别,现在的内力值在整个计算进程中为操纵内力.

d.由于施工时期没有考虑水反力的作用,而在利历时期的水反力要大于整个结构的竖向力（不计持续墙的摩擦力）,因此在两个时期的转换进程中,后浇的框架柱对顶板仍是有较大支撑作用的,实际结果应是两个时期计算结果的中间值.若是采纳结构力学方式计算,为知足梁的裂痕计算要求,顶板梁的截面高度要做到～,而板的弯矩和配筋那么很小,显然是不经济的.在顶板覆土只有的情形下,也不知足结构最少覆土的要求.

e.由于结构板较厚,刚度较大,它对梁的阻碍不可忽略,专门是纵向框架的边跨,在图5和图6中能够看到,边跨在与端头井相交处有专门大的弯矩.因此,当计算纵向框架的时候,不能将边跨完全取为简支,而应考虑部份板的嵌固作用.

f.在图5和图6中能够看到,地铁车站楼板有类似无梁楼盖的受力特点,有明显的柱上板带和跨中板带,设计时应该考虑楼板的弯矩调幅.

5结　语

对端头井的计算分析结果说明,端头井的空间效应明显,梁、柱的受力状态复杂.严格意义上说,端头井结构的计算应该完全依照施工顺序进行计算.施工进程当中存在构件后浇、构件尺寸的突变（回筑时期显现内衬）和土体的离开（水反力操纵工况）的情形,整个计算进程应该是非线性的.但由于有限元软件的利用较为复杂,而且不便于后处置（需要设置子步及生死单元）,在实际设计进程中大体不采纳.

当对端头井结构进行了比较细致的计算分析以后,在设计时期可据此进行简化计算,从而进行设计优化.因此,地铁端头井的设计中进行有限元分析计算是具有必然的实际意义的.

参考文献

[1]　丁文胜.长条形基坑支护结构内力及变形分析[J].华东船舶工业学院学报（自然科学版）,2001,15（4）:

39-43.

[2]　周顺华,王炳龙,潘假设东,等.盾构工作井围护结构在施工全进程的内力测试分析[J].岩土工程学