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1、5地下结构Y型柱半刚性连接性能分析重点讲义汇总地下结构 Y 型柱半刚性连接性能分析北京市市政工程设计研究总院有限公司 陈鹤 薛茹镜 耿耘【摘要】 Y 型柱具有增大跨度，提高建筑美感的作用，在荷载较大的地下结构中，大跨度和 大净空的结构形式使 Y 型柱承受更大的荷载。 文章依托新华大街站土建工程， 采用数值模拟 结合工程实际量测结果， 对 Y 型柱上部分叉部分和顶板的半刚性连接性质进行对比分析， 为工程设计中同类问题提供计算依据。【关键词】 Y 型柱；地下结构；半刚性连接；A study for semi- rigid connection of Y-shapedcolumns used in

2、underground structureBeijing General Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Chen he, Xue ru jing, Geng yunAbstract: Using Y-shaped columns in design could increase the special span and enhance the beauty of architecture. However, as loads applied to the underground structure ar

3、e large, the Y-shaped columns used for such structures with the large span and headroom have to bear larger loads than normal. Taking Xinhua Street Station as an example, by combining numerical modeling with actually measured data, this article analyzed the mechanical characteristics of the semi-rig

4、id connection between the upper fork structure and the roof, and provided a calculation basis for similar projects in future.Keywords: Y-shaped columns, Underground structure, Semi-rigid connection1. 引言 在地下车站的建设过程中人们越来越认识到传统站厅站台分层设置的地下 车站方向感差，内部空间局促， 空间的通透性较差的缺点。采用民用建筑中广泛 使用的中庭空间能够使空间具有流动性，使广大市民能够有较

5、好的出行环境。为了使地铁车站形成中庭效果， 多采用中板开洞的方式， 并且在两站台中部 设置 Y 型柱，最大限度的增加柱距，形成空间整体的通透感。2. 工程概况新华大街站公共区结构采用Y型柱受力体系，局部中板打开，在站台形成 “中庭”效果，在国内地铁站还是首次实现。 为达到 Y 型柱与整体车站效果协调， 丫型柱上部采用渐变截面宽度仅为 560mm向下截面逐步扩大。而车站为两个12m 岛式站台，每个岛式站台上设置一根Y型柱， 丫型柱底部最大跨度达到20m顶 部跨度最大达到11.7m,小截面与大受力形成了一对矛盾，采用常规钢筋混凝土 柱已经不能满足受力要求。 经过比选多种材料， 最终设计采用铸钢来制

6、作上部及分叉处节点同时为达到相应的建筑效果，车站站厅层加高，故在中庭处侧墙净高达到了 16.3m,在以承受竖向及水平向水土压力的地下结构中实属罕见。2.1 Y型柱丫形柱作为主要承重和抗侧力构件，承担了较大的竖向与水平荷载，所以其稳 定性决定了屋盖结构的整体承载能力，是工程设计中关注的重点。新华大街车站主体结构丫型钢柱分两部分；上部分为丫型铸钢件，下部分为 D1200mr圆管柱。钢管及铸钢件内部采用 C50微膨胀自密实混凝土填充。上部 丫 型铸钢根据运输情况及加工情况分为三节，铸钢、钢管之间的连接采用全焊透的 对接焊缝，焊缝质量均为一级，连接钢管柱与梁节点处的抗剪牛腿、 加强环板及环形盖板等焊缝

7、质量等级均为二级。钢管柱的耐火等级为一级，其耐火极限为 3小时，永久防腐涂层底层采用环氧富锌底涂料， 中间层采用环氧云铁涂料，面层采用环氧沥青、聚氨酯沥青等面料涂料。2.2地质条件根据地质勘察报告，本段线路土层分布较为稳定，自上而下分别为人工堆积 层（Qml）、第四纪新近沉积层（Q42+3al+pl）、第四纪全新世冲洪积层（Q41al+pl）、第 四纪晚更新世冲洪积层（Q3al+pl），见表1及图1。表1地层物理力学性质参数土层编号土层名称土层厚度（m）容重3(kN/m3)C (kPa) (Ko基床系数（MPa/m）水平垂直房渣土2-820.008粉土3.519.914320.4320201粉

8、质粘土2.019.525170.472024粉土0.619.914320.4320203粉细砂1.020.20320.394030粘土0.418.834130.503530细中砂7.120.20340.374030粉质粘土1.819.431180.4040302r粉土0.919.511320.435031粉质粘土1.219.431180.404030细中砂12-720.20330.354540图1车站地质纵剖面图2采用Y型钢管柱的地铁车站效果图3. Y型柱内力分析3.1计算原则图2为主体结构断面。主体结构计算按照平面应变假设，采用荷载-结构模 型，通过MIDAS/CIVIL结构分析通用程序进行

9、内力分析。本站结构所处土层主 要为砂石地层，采用水土分算的原则确定水位以下侧墙水土压力。 使用阶段考虑水土压力全部由主体结构承担。计算简图如下：车站主体结构的计算简图如图4所示。X H H 口 M H 畀 I / 4 讥 H H 141, H H H X H d ! L I, H J HI J4 H N m 収 Hlit! N/m3.2 Y型柱简析丫型柱顶部采用铸钢构件，下部采用钢管混凝土铸件，而周边结构采用钢筋 混凝土构件。三种不同的构件类型相互连接是结构设计的关键， 同时上部分叉采 用铸钢制造，铸钢的构造措施也是整个设计的难点。图 5为典型丫型柱结构构 造图。图5Y型柱结构构造图3.3基本

10、计算假设Y型柱分叉节点部位与上部两分叉均为铸钢材料，采用全熔透一级对接焊缝 连接，为保证连接质量，借鉴钢管混凝土柱做法，连接点内部设置钢筋笼，同时 浇筑混凝土，钢筋混凝土结构与外侧钢管体系形成联合抗弯体系， 此节点部位可视为完全刚性连接。钢管混凝土柱嵌入底梁深度较大，且在柱脚锚栓在翼缘外侧，可以起到抵抗 弯矩的作用，也可视为刚性连接。丫型柱分叉与水平方向呈35角斜交，同时Y型柱分叉为与顶板有效连接需 深入混凝土顶板内部，设计采用在顶板下部设置钢牛腿的方式确保传递竖向荷载 而顶板连接处钢管柱嵌入深度较浅， 且没有足够的锚固措施，因此顶板连接可视 为半刚性连接。3.4 丫型柱内力计算及分析根据平面

11、应变假设，丫型柱柱距9m,将其抗弯模量和面积折减到每延米建 立模型。模型如图6所示。图2平面应变计算模型为研究连接刚度对计算结果的影响，丫型柱分叉与顶板的连接刚度使用调整 释放梁端约束的方式实现，按照弯矩释放系数共分为0%、20%、40%、60%、80%、 100%六个等级进行数值计算，其中 0%代表完全释放弯矩，即为铰接，100%代 表不释放弯矩，为刚性连接。计算结果如图 7图3不同弯矩释放系数下 丫型柱内力图由于采用平面应变计算模型，柱弯矩平均到每延米上，其实际弯矩应根据实际柱距调整，调整后结果如表 2所示：表2不同连接条件下弯矩统计表0%20%40%60%80%100%边跨顶板处连接16

12、2162225252279288中跨顶板处连接153504729855936990钢铸节点与边跨分叉连接122414041485153015571584钢铸节点与下端柱连接186320522133218722142232丫型柱分叉平均弯矩15833347755460863925D0T迪廉阿处遂構 -E中比顶哽处洼揺 *耐节点m边精色艮査榕 口 恫翰酉点弓下翻连躬图4不同连接条件下弯矩统计从数值实验结果上可以看出，中跨顶板连接处弯矩对 Y型柱分叉与顶板的连接刚度敏感度较大，其弯矩最大值和最小值相差 6倍左右。3.5地震作用下丫型柱内力计算及分析拟建场地位于抗震设防烈度 8度区内，地震动峰值加速度

13、值为 0.20g,设计 地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为 0.20g。建筑场地类别为U类。抗震计算采用反应位移法，计算得出不同深度下地层水平位移如表 4:表4 土层水平位移随深度变换表z(m)ux(mm)z(m)ux(mm)z(m)ux(mm)3.522.12610.91712.30918.3333.284.98320.12512.410.42419.8171.6126.46718.13713.8838.57521.307.9516.1715.3676.7649.43314.22616.854.99811.3.2规定，采用其荷载组合根据规范城帀轨道交通工程设计规范(DB11/995-2

14、013) 极限状态法进行结构设计及检算地震工况下结构各构件截面强度时, 分项系数如下：永久荷载1.4;可变荷载0.6;地震荷载1.3。计算简图如图9：inrrwri vnriTmnnrrnTiTnM|怕 LM*图5地震工况计算简图计算结果如图10图6地震工况下结构弯矩图同3.4节中调整弯矩数值的方法，各种连接刚度条件下的计算结果如表 5:表5地震工况下不同连接条件下弯矩统计表0%20%40%60%80%100%丫型柱顶板连接处最大弯矩106257368430469496钢铸节点上端最大弯矩701738773792804813钢铸节点下端最大弯矩135014491491151415281539从

15、数值实验结果上可以看出，丫型柱顶板连接处最大弯矩对 丫型柱分叉与 顶板的连接刚度敏感度较大，与 3.4节中取得结论一致。3.6 丫型柱节点受力有限元分析根据铸钢节点应用技术规程(CECS 235:2008)对丫型铸钢节点进行有 限元分析，丫型铸钢节点如图11所示。图7丫型铸钢节点装配图该节点由三部分铸钢件连接而成，如图 12所示图8Y型铸钢节点部件图车站结构采用ANSYS有限元程序进行分析计算，丫型铸钢柱采用SOLID92 单元，其余实体采用SOLID45单元。建立单榀有限元模型时，考虑到对称性， 只建立一半模型，以减小计算工作量。侧墙仅受压弹性支座，刚度 33.4MPa,底板仅受压弹性支座，

16、刚度 30MPa，用相同刚度土体代替，土体与车站结构之间 建立接触对。图13为模型单元网格图。计算分析时，根据上节计算判断，无水工况更为不利， 因而只进行无水工况 计算。计算时对钢铸节点考虑两种情况：(1)丫型铸钢柱内部不考虑混凝土作用；(2)丫型铸钢柱下柱内部考虑1m高混凝土作用图9模型单元划分(1)丫型铸钢柱内部不考虑混凝土作用丫型铸钢柱Mises应力分布如图14、图15所示。最大应力出现在铸钢柱下 端，此处铸钢壁厚为 55mm,应力为220MPa。由于此处第三主应力为压(见图 13)，根据铸钢节点应用技术规程(CECS 235:2008)第2.2.4条规定，可取二二:.=.1 一乂二玉

17、山匕，故此处应力满足安全要求。丫型其余区域应力均小于235MPa,因而丫型铸钢柱处于弹性受力状态。（2） Y型铸钢柱内部考虑混凝土作用图16和图17为Y型铸钢柱Mises应力分布图。最大应力出现在 Y型铸钢 柱下柱内部加劲肋端部，最大应力为 204MPa。由于考虑混凝土的作用，丫型铸 钢柱下柱下端（对应的壁厚为 55mm）应力在150MPa以内。Y型其余区域应力均小于235MPa,因而Y型铸钢柱处于弹性受力状态。4.钢管柱的监测与分析Y型柱以三维坐标进行测量控制。吊装前，在 Y型柱上部连系梁两端，各 焊接一个与徕卡全站仪配套的棱镜，棱镜方向对准全站仪。测点布置见图 18。图14位移监测工作点吊

18、装过程中，首先以标注于 Y型柱外壁的轴线为基准，上、下两节 Y型柱 管壁的轴线对齐，然后用全站仪测量 Y型柱上的棱镜，实测坐标与理论坐标比 较，分别以厶X、丫、Z三维坐标增量判定“ 丫”型柱在横向、纵向、竖向的 偏移量。用千斤顶调整 丫型柱在三维方向的偏移量，复测合格后，将钢管焊接 固定。表6测量主要技术指标及要求序号项目1监测点与相邻基准点高差中误差0.5毫米2每站高差中误差0.3毫米3: 往返较差及环线闭合差土 毫米（n为测站数）4视线长度50米5前后视的距离较差1.0米6任一测站前后视距差累计2米根据测量的 X、丫、Z结果，换算得到 丫型柱上部分的最终挠度为 1.68mm，柱长取 6.5

19、m。根据梁受弯变形的几何关系（轴向和切向变形远小于挠度， 可忽略不计），L 表示梁长度，f表示挠度，R表示曲率半径，如图19所示：L图15梁受弯变形几何关系其几何变形：2Rf Vl2+p tan 0 =-= 故梁受弯曲率半径La2f = 12574,4m根据材料弯矩与弯曲半径关系1_ M R EJ对于钢管混凝土外部钢管EL 206 X 109 X 178 X 10-2= = = 291.6kN mB R 12574.4(CECS考虑钢管与混凝土的相互作用，根据钢管混凝土结构技术规程 28:2012） 6.5.2条规定，当选用 C50混凝土时，钢管与管内混凝土的粘接强度 址越抵沁亞，通常情况下，

20、钢管与混凝土的粘接长度只计入二倍直径的长 度，粘接强度产生的弯矩为Mc= T0-y dA当钢管混凝土内径取700mm时t0 *y dA= -ttD X2D Xt0 =8钢管混凝土柱总弯矩M= Me +Mc = 412.4kN miK M计算中将钢管混凝土结构假定纯弯构件，其计算曲率半径为平均值，使用表 2中钢管混凝土柱平均弯矩与计算得钢管混凝土柱总弯矩对比，认为接处取 30%40%的刚度比较符合实际情况 5.结论1） 由3.6节对丫型柱铸钢节点在正常使用情况下的数值模拟结果可以看出，丫型柱铸钢节点处于弹性变形阶段，无论是否考虑钢管柱内混凝土的作用，其铸 钢外壁不会出现局部受力屈服的情况，保证了 丫型柱上部分叉和下部钢管柱连接的稳定性。2） 使用工程实际量测结果，结合受弯构件变形的基本特征，推算出受弯构 件的曲率半径，根据材料弯曲变形特征，确定钢管混凝土中两部分材料的内力。3） 从表2和表3可以看出，丫型柱的弯矩对丫型柱分叉与顶板的连接刚度有很大的敏感性，针对不同的结构形式与锚固情况，应选择相应合适的刚度，才 能保证内力计算的准确性。根据工程实际量测的结果对比理论分析，对 丫型柱分叉处的连接刚度取值进行验证，认为当连接处取 30%40%的刚度比较符合实际情况。