刘捷 陶忠海
武汉市汉阳市政建设集团公司
摘要:本文基于工程实例,通过Midas建模分析地下厚板转换结构,分析得到厚板转换结构对于结构主体弯矩、剪力及位移等影响不大,可以作为地下结构的可靠二次转换结构模式。
关键词:Midas;厚板转换;地震力
引言
结构二次转换多见于地上结构,随着我国城市轨道交通的迅速发展,地铁区间、车站穿越即有建筑物等已屡见不鲜,地下结构二次转换也逐渐成为一种广为应用的结构形式。广州地铁3号线和2号线在客村站换乘时实现结构托换,成都地铁1号线下穿某商场建筑时使用预应力混凝土进行了结构转换,上海地铁1号线局部位于铁路上海站屋下,主站部分柱网落在地铁车站顶板上,也需要进行转换。目前,地下结构转换工程呈逐渐增多之势。
目前结构二次转换的方式主要有四种形式,即梁式转换、厚板转换、箱式转换和桁架转换。梁式转换结构受力清晰,内力传输路径也很明确,比较容易计算出它的内力,施工方便,造价相对便宜。梁式转换层结构对于上部荷载不是很大时比较适用,但是梁式转换会大大增大转换梁的尺寸,以满足抗震及受力要求。将转换层做成一个厚度很大的实心钢筋混凝土承重板是厚板式转换结构的一大标志。根据上部结构的变化,也会在厚板中布置暗梁。厚板式转换结构优点在于方便上层结构的建设,尤其对于上、下层既有结构形式的变化,又有柱轴线变化的情况。但是由于转换厚板是一个巨大牢固的整体,结构的动力传递是不明确的、复杂的,计算分析也是非常复杂的,而且厚板式转换结构容易导致结构突变的竖向刚度,增加了地震响应。箱式转换是由梁式转换演化而来,箱型转换结构在转换层上、下楼面同轴设置一道大梁,梁间有钢筋混凝土墙,组成一个大型组合梁构件。组合梁纵横交错形成网格,网格节点支撑在接地框架柱上。为了最终形成一个典型的箱型刚性层,需在转换层上、下楼面均设有钢筋混凝土厚板。桁架式转换结构也由梁式转换结构发展而来的,同样具有受力清晰,内力传输路径明确的特点。桁架式转换结构可以非常灵活地运用建筑特色,使得在转换层开洞、设置管道非常方便,更有利于建筑功能的使用。桁架式转换层的自重、刚度都较小,建筑竖向刚度的变化也较小,因此地震反应也要小得多。四种结构转换形式各有所长,在实际工程中根据不同的工程特点进行适当选择。对于地下结构,施工较为复杂,转换过程力求简便,厚板转换为最实用的转换方式。但是,采用厚板二次转换对于结构受力有什么影响尚不清晰,国内外文献少有关于地下结构的厚板二次转换的受力分析,因此,对于这方面的探索还需进一步加强,以填补地下结构厚板二次转换受力分析的空白。
1 工程背景
图1 地下结构剖面图
本文所研究的工程位于武汉市,地貌单元为河流堆积平原,属长江Ⅰ级阶地。场地富含富水的饱和粉细砂,基岩位于地表以下40米。结构主体为地下四层双柱三跨现浇钢筋混凝土箱型框架结构;其中地下一层为物业开发层,地下二层为公路隧道层;地下三层为地铁车站站厅及设备夹层;地下四层为地铁车站站台层。
该结构由于公路隧道层与下层车站站厅层结构形式有异,地铁车站站厅层竖向荷载采用立柱支撑,而对于公路隧道层,过多的立柱会阻碍交通,影响通行视野、美观及舒适性,因而结构竖向支撑不得不转换位置,钢管柱不能落底,从而在地下一层的底板处形成二次转换。下图为车站转换结构剖面图。
该结构主体采用盖挖逆作法施工,围护地连墙与主体结构侧墙构成“复合墙”结构,主要竖向承重构件采用钢管混凝土柱。各工况模型(取标准段)如下:
(正常使用阶段)
图2 荷载工况图
2 计算软件及模型建立
2.1 计算软件
MIDAS/GEN是专业的荷载-结构模型有限元软件,在建模的方便性、计算结果的可靠性上均已得到验证,可以充分地反映结构受力特性。由于地下车站结构受力的复杂性,数值计算主要的难点在于准确地得出结构的内力变形规律,故选择采用MIDAS/GEN来进行建模计算。
2.2 计算模型
该结构标准段基坑深度约38m。钢管混凝土柱外径1m,内填C50高性能混凝土,混凝土柱选用C50级混凝土,其他选用C35级混凝土。结构尺寸按实际尺寸来模拟,主要结构尺寸如下表所示,并根据以下假设:
(1)只考虑车站主体结构的建模,与车站连接的区间线路不考虑;
(2)对于车站结构断面尺寸有微小变化的情况,统一按最大的断面来建立计算模型;
(3)在建立车站结构模型时不考虑柱板、墙板之间节点的腋角设置。
表1 主体结构构件尺寸
地下车站结构设计中,墙、板内力计算通常采用平面框架计算模型,梁、柱内力计算通过沿车站纵向框架按单向板导荷方式施加荷载,以此求得内力。平面框架计算模型可以将车站结构设计中的空间问题简化为结构断面上的平面问题进行解决。
对地下车站结构设计起控制作用的荷载组合主要为基本组合、准永久组合、人防荷载及地震作用,地震烈度6度设防,按7度加强其抗震措施。
针对该地下转换结构,基于荷载-结构法通过模拟车站在带转换结构(简称工况一)和不带转换结构(简称工况二)两种情况下的受力情况,对比分析转换结构在地下工程中的实际受力变形情况。
3 计算结果及分析
3.1结构弯矩
图3 工况一弯矩图 图4 工况二弯矩图
图3和图4给出了工况一和工况二使用阶段时车站主体结构的弯矩图。从图中可以看出,板式结构转换会导致转换层中间一跨跨中以及柱顶支座处产生较大的跨中弯矩,弯矩值较工况二增大4倍左右;另外从图中可以看出工况二中左右两侧外侧墙各支点弯矩值基本是一致的,而工况一的两侧外侧墙各支点弯矩值稍有差别,说明地下结构的板式转换结构会引起车站外侧墙两侧受力不一致。
3.2结构剪力
上图7和图8为工况一和工况二使用阶段时车站主体结构的位移图。从图中可以看出,两种工况下位移变化均比较接近,相差值不超过2mm,位移最大值11mm。
4 结论
1、MIDAS/GEN可以用于地下模型的建立及结构受力分析,具有简单、方便的特点,计算结果与实际监测结果吻合较好。
2、对地下结构厚板转换结构和非转换结构弯矩对比分析得到,地下结构的板式转换结构会引起车站外侧墙两侧受力不一致。
3、计算结构显示,地下厚板转换结构在各种荷载工况下剪力及位移与无转换结构差别不大;地下结构采用墙板厚度均比较大,转换层与之差异远小于地上结构,地震力不能成为其受力控制因素。
4、厚板转换可以作为地下结构的可靠转换形式,在实际工程中广泛推广应用。
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论文作者:刘捷,陶忠海
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/7
标签:结构论文; 厚板论文; 工况论文; 地下论文; 车站论文; 弯矩论文; 受力论文; 《防护工程》2018年第9期论文;