地铁端头井的设计计算方法探讨

地铁端头井的设计计算方法探讨 摘要:简要介绍地铁设计的基本方法，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法.实例计算结果表明，对于端头井结构，不适宜采用平面框架进行计算.在空间分析的前提下，在计算模型上适当做出一定程度的简化，对构件的主要受力特征作了分析和总结，通过和平面结构的对比，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地铁设计的基本方法 目前地铁设计中，基本计算方法如下. a.极限平衡法.无法反映施工过程中墙体受力的连续性，只是一种浅基坑(支撑层数少)和支撑刚度很大情况的近似，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，已较少采用. b.平面有限元法.由于计算参数难以准确取值以及计算工作量大，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理，把它作为一种辅助的计算手段. c.土抗力法(也称竖向弹性地基梁的基床系数法).土抗力法假定墙体两侧的土压力随开挖过程变化，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，用压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，基本方法有总量法(总和法)和增量法(叠加法).总量法可直接求得当前施工阶段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对于前一个施工阶段完成后的增量.一般说来，增量法是解决非线性受力继承性问题的有效手段， 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，但有时也会遇到非线性问题.非线性问题，除了一般所指的构件材料和地层为弹性体外，还包括在受力的各个阶段，结构构件的刚度(或结构型式)构件组成不发生改变的情况.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).端头井需要满足盾构施工要求(如净空要求、吊装净尺寸要求及掉头空间要求等)，大部分情况下必须在施工过程中，在楼板预留吊装孔(如始发井)，或者端头井内框架柱和框架梁必须后浇(如掉头井). 地铁车站标准段一般为狭长型，以平面变形为主，因此标准段可以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1.0，支撑结构一般采用斜向布置，支撑长短不一，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阶段就有比较明显的空间效应，特别是在转角处，“L”型、“T”型和“Z”型墙幅同时呈现出弯曲和扭曲的情况. 当结构楼板有大开洞的情况时，楼板无法对侧墙提供支撑，这就要求使用转换结构来平衡侧向力.一般设计采用的方法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，水平框架梁和壁柱共同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须后浇时，对于顶板结构，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;对于底板结构，因水反力尚未形成，可以考虑将部分底板框架梁下翻，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分. 平面框架计算的方法无法完成端头井的特殊受力计算要求，一般采用的计算工具均为有限元软件，如SAP和ANSYS等.2.1端头井的结构类型 一般的地铁结构均分为围护结构和主体结构两部分，按照围护结构的不同可以分为密排桩围护(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(如连续墙等).在目前设计中，围护结构基本上均作为主体结构的一部分参与整体受力. a. 当围护结构与内衬墙结合面粘结好，能承受剪力时，采用复合墙计算法，墙体计算厚度取内外墙厚度之和，如连续墙围护. b. 当内外墙之间设有防水层或两者结合差， 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配给围护和内部结构即可.但是对连续墙围护，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，作者主要针对连续墙围护的端头井计算. 对于连续墙围护结构，当采用柔性接头时，柔性接头处传递剪力的能力较差.因此，无论对于侧墙结构还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，此时的构件截面为全截面，即考虑连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，此时的构件截面应该将连续墙厚度扣除.2.2 端头井计算存在的问题 对于空间结构，应该采用较为真实的整体模型进行分析.所采用的计算模式，应和结构实际的受力条件相吻合，并能反映结构与周围地层的相互作用.结构计算遵循“先变位、后支撑”的原则进行，计算下阶段内力和变形时，计入上阶段的先期位移值及支撑变形.当结构体系和荷载均发生变化时，按分步计算进行叠加和按最终阶段的荷载总量进行计算，其结果是完全不同的.因此为正确反映各阶段的受力情况，可采用增量法进行计算，即荷载以增量的形式，加到不断变化的结构体系上，每阶段只计算本阶段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阶段的内力与位移的叠加值. 为方便计算，上海地铁1号线推荐采用的计算方法是:开挖阶段采用平面模型计算(或空间计算软件)，回筑阶段(拆支撑)和使用阶段一般只用两个工况，叠加两阶段的结果得到最后结果.由于两阶段的计算结果(单元不同，节点不同)无法完全对应，只能采用插值计算的方法近似计算，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，对于开挖阶段应分不同部位计算，并在计算两端墙体时，应该考虑侧墙对位移的有利作用(增加支撑弹簧刚度)，并在回筑阶段采用对应位置的计算值叠加. 需要注意的是:对于不同顺序的施工过程(如吊装孔和端头井框架柱后浇)，受力状态是完全不同的，计算中是无法完全得到体现的. 根据对端头井进行空间分析表明:最大弯矩在量级上与平面计算结果相近，但弯矩的分布形式与平面结果相差甚大2.根据以往计算的经验， 底板以下部分的连续墙对整体结构受力影响不大，整体计算中可不予考虑.因此，对于端头井结构，只要能解决主要的受力问题，在计算模型上适当做出一定程度的简化还是可行的.转贴于 2.3 端头井计算方法 根据施工方法的特殊要求，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共同形成支撑结构来承受.计算中可以假设侧向力为一次加载，不考虑施工过程的影响. b. 后浇端头井框架柱时，由于缺少框架柱的支撑，对顶板的影响较大.计算中可以按照施工阶段(无柱)和使用阶段(有柱)两种情况分别计算，按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，按照重合结构计算. 以上问题均可采用整体建模的方式解决.但为减少设计工作量，加快设计速度，在计算时均可以简化为平面模型，即平面结构承受平面外作用力. 由于平面结构的边界转动刚度不易确定，在计算过程中，可分别按照边界简支和固定两种情况计算.对正弯矩、负弯矩分别取控制值，在裂缝配筋过程中，当钢筋布置有困难时，考虑到计算值偏大，钢筋可按照模数排放，裂缝配筋适当放宽.3 端头井计算实例 某地下两层车站，端头井外包尺寸为24.2m(长)×15.6m(宽);端头井埋深最深为18.063m;顶板平均覆土2.376m.围护结构为连续墙，端头井设置内衬，标准段为单层墙，采用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. 采用ANSYS软件计算3，4，考虑标准段结构与端头井结构之间的影响，模型包含两跨标准段结构(表1，2).具体实现步骤是:定义单元类型;定义材料参数;定义实常数;定义截面尺寸;建立几何模型;定义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，可用于模拟梁的各种受力状态:弯、剪、扭和轴力.SHELL93为带中间节点的8节点壳单元，可以用于模拟板的弯曲和翘曲.SHELL99为多层8节点壳单元，可以用于模拟连续墙和内衬墙的双层结构.由于连续墙采用柔性接头时，在水平方向没有可靠连接，无法承受拉力，也就无法承受弯矩作用.使用SHELL99单元时，可以通过分别定义不同层的材料参数解决正交异性的问题.LINK10为单向受力(受拉或者受压)杆单元，可以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)，壁柱承受很大的弯矩，水平框架梁承受较大的轴力，而且大多数构件还承受不小的扭矩和剪力.这就要求在设计中，必须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分已经完成，此时的框架梁对壁式框架的支撑作用有限，在计算中不应完全考虑，可以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，出现在水平纵向框架梁(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2010kPa.考虑到水平纵向框架梁的钢筋与连续墙采取了可靠连接，而且只是局部区域，可以认为剪应力没有超过材料的抗剪强度，连续墙与内衬的结合面能够传递剪力，满足设计的假设.此外，根据上海地区现场测量的应力值，在标准段，连续墙与内衬之间的剪应力更小，一般为7001000kPa. c. 对于掉头井，在施工阶段，顶板上已经回填土，并且地面交通已经恢复，而此时框架柱尚未浇筑.因此，此时的顶板结构只有四边支承，顶板的框架梁跨度很大，其刚度只是整个端头井顶板刚度的46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所示的使用阶段情况有较大区别，此时的内力值在整个计算过程中为控制内力. d. 由于施工阶段没有考虑水反力的作用，而在使用阶段的水反力要大于整个结构的竖向力(不计连续墙的摩擦力)，因此在两个阶段的转换过程中，后浇的框架柱对顶板还是有较大支撑作用的，实际结果应是两个阶段计算结果的中间值.如果采用结构力学方法计算，为满足梁的裂缝计算要求，顶板梁的截面高度要做到2.52.7m，而板的弯矩和配筋则很小，显然是不经济的.在顶板覆土只有2.5m的情况下，也不满足结构最少覆土的要求. e. 由于结构板较厚，刚度较大，它对梁的影响不可忽略，特别是纵向框架的边跨，在图5和图6中可以看到，边跨在与端头井相交处有很大的弯矩.因此，当计算纵向框架的时候，不能将边跨完全取为简支，而应考虑部分板的嵌固作用. f. 在图5和图6中可以看到，地铁车站楼板有类似无梁楼盖的受力特征，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表明，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按照施工顺序进行计算.施工过程当中存在构件后浇、构件尺寸的突变(回筑阶段出现内衬)和土体的脱离(水反力控制工况)的情况，整个计算过程应该是非线性的.但由于有限元软件的使用较为复杂，而且不便于后处理(需要设置子步及生死单元)，在实际设计过程中基本不采用. 当对端头井结构进