关键词：抗拔桩；大刚度弹簧；支座；地下车站
中图分类号：XX 文献标识码：XX 文章编号：XX
Analysis of the influence of uplift pile on the internal force of the main structure of underground station
Wu Shuangshuang
（China Railway Liuyuan Group Co., Ltd.，Tianjin，300000）
Abstract:Taking the Liulitai station of Tianjin metro line 8 for example, combined with the characteristics of the top-down inverse method in this project, several different calculation models of uplift piles are analyzed by SAP2000 structural calculation software, and the difference of stress and deformation of each model is obtained, which provides reference for the similar station structure calculation with uplift piles in the future.
Key words: uplift pile; large stiffness spring; abutment; underground station
0引言
由于天津地区地下水位较高，且地铁车站埋深较深，通常仅靠结构自重不能满足抗浮要求，需通过地连墙参与抗浮或设置抗拔桩才能满足抗浮要求。
本文以天津地铁8号线一期工程六里台站为例，采用sap2000软件进行建模分析，研究抗拔桩的设置以及不同抗拔桩计算模型对地下车站构件内力的影响，为后续盖挖逆作车站受力及配筋计算提供参考。
1工程概况
六里台站为天津地铁8号线一期工程的中间站，与地铁7号线车站采用通道换乘。车站主体结构标准段为地下四层双柱三跨矩形框架结构，总长度316.43m，标准段宽度23.7m，底板埋深30.954m，顶板覆土厚度约4m。车站主体采用盖挖逆作法施工。车站结构尺寸为：顶板厚800mm，中板厚400mm，底板厚1200mm，负一层～负四层侧墙分别厚700、800、800、1000mm，中柱采用直径1.1m壁厚25mm永久钢管柱，内填充C50微膨胀混凝土，钢管柱下设置桩基兼抗拔桩。根据天津地区工程地质和水文地质条件及地铁建设经验，本站采用内衬墙与围护结构间设置柔性防水层的复合墙结构，围护结构采用1200mm厚地下连续墙。车站抗浮水位取地面。车站标准断面如图1所示。
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图1 车站主体标准断面图
2 车站结构设计
2.1桩基桩长确定
本站采用盖挖逆作法施工，钢管柱下桩基在施工阶段作为抗压桩受力，使用阶段作为抗拔桩参与受力。桩基采用φ2.2m～3.5m扩孔桩，通过对施工阶段桩基承载力进行计算，确定桩长取为40m。
2.2桩基兼做抗拔桩改善结构受力
抗浮水位按现状地面大沽高程3.00考虑。结构所受的浮力较大，对结构按最不利水位进行抗浮验算结果为：在不考虑侧壁摩阻力时，抗浮安全系数小于1.05。需采取抗浮措施。具体措施为：车站主体结构各层板与地连墙连接，依靠地连墙自重及摩阻力帮助抗浮，以满足抗浮要求。仅考虑地连墙侧摩擦力提供抗浮力的条件下，本站标准段抗浮安全系数＞1.15，满足要求。
车站标准段按横断面简化为二维平面有限元模型，车站宽度23.7m，覆土4m，在30.954m满水头工况下，如不做抗拔桩，仅考虑地连墙作为抗浮措施，结构变形、弯矩如图2、3所示。可以看出，车站中部整体朝上变形，底板变形值达到了24mm，出现在跨中位置；底板呈整体单跨受力，底板跨中、底板与侧墙支座、底板与中柱支座、顶板与中柱支座弯矩出现异常。几个控制点处计算结果详见表1。
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图2 变形图
图3 基本组合弯矩图
表1 不设抗拔桩竖向变形和弯矩计算结果.png)
根据计算结果，底板厚度采用1200mm，顶板厚度采用800mm，侧墙厚度采用1000mm已不能满足受力要求。如不考虑抗拔桩，需增加主体结构构件尺寸厚度，通过提高主体结构自身刚度减少车站变形。因本车站规模较大，势必造成经济上的严重浪费。
该车站在主体结构设计时，结合基坑围护结构设计，将永久钢管柱下桩基兼做抗拔桩。在水反力工况下，由于底板跨中变形较大，抗拔桩要先于地连墙发挥抗浮能力，设置抗拔桩能使结构变形大幅度减小，受力更为合理。
2.3抗拔桩不同计算模型分析
本节重点分析抗拔桩与主体结构在使用阶段的相互作用[1]。目前国内尚无规范明确规定抗拔桩的计算模型，行业内也无统一做法[2]。各种计算模型对车站受力产生不同的影响。为使计算结果更符合实际情况且经济，抗拔桩模型的选用应合理。国内设计院常用的抗拔桩模拟方法有以下几种：
（1）模型1：抗拔桩按铰支座模拟，对抗拔桩顶进行竖向位移约束。
该模型中抗拔桩与底板节点处竖向位移完全被限制，完全忽略了桩体在受力状态下的变形以及桩-土体间位移，而实际在较大的抗拔力作用下，无论抗拔桩是否为扩底桩，其桩身必然会有变形，桩顶必然产生向上的位移。模型1相当于人为增加了底板的跨数[2]，导致结构各构件所受弯矩与实际情况有出入，尤其是底板与侧墙支座弯矩较小，计算结果偏于不安全，该模型存在较大的缺陷。
（2）模型2：在抗拔桩顶施加集中力。集中力取为自重抗浮后剩余的浮力。本工程通过计算，确定抗拔桩节点处施加的集中力为439KN。
集中力施加在抗拔桩顶，模型需要在重力与浮力平衡的基础上才能完成结构计算，因实际中地连墙也参与抗浮，地连墙抗浮与剩余浮力之间分配关系无法确定，导致计算结果不太准确[3]。
（3）模型3：抗拔桩按大刚度弹簧模拟。
抗拔桩处模拟为具有一定刚度的弹簧约束，弹簧刚度大小对车站受力产生不同的影响。先假定一个弹簧刚度，代入车站结构模型进行整体计算，待计算完成后，按计算抗拔力求出需要的桩长及弹簧刚度，再对模型进行修正，如此反复拟合计算结果。
弹簧刚度的选取，胡云华等[4]将抗拔桩作为等效受拉弹簧，弹簧刚度由抗拔桩中的钢筋弹性模量和钢筋面积确定；张跃明[5]将抗拔桩作为桩-土体弹簧模型，考虑桩-土相互作用，比较符合实际工况。本工程根据桩-土体弹簧模型理论，抗拔桩顶弹簧支座刚度取为201050KN/m。
各模型得出变形及内力如图4～9所示。几个控制点处计算结果详见表2。
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图4 模型1变形图
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图5 模型1基本组合弯矩图
图6 模型2变形图
图7 模型2基本组合弯矩图
图6 模型3变形图
图7 模型3基本组合弯矩图
表2 设置抗拔桩竖向变形和弯矩计算结果
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模型1将抗拔桩简化为支座，而实际的抗拔桩是个弹性体，具有一定的柔性，大刚度弹簧模型更符合工程实际。
由表2可以看出，对于底板边支座弯矩，模型1偏于不安全，模型2偏于保守，而对于底板中支座，模型1偏于保守，模型2偏于不安全。以上几种模型与不采用抗拔桩模型相比，可有效的减少底板变形，底板变形值最大为5mm，可满足容许位移限制；底板弯矩分布正常，抗拔桩支座处出现了负弯矩；模型3底板与侧墙支座弯矩、顶板中支座弯矩较不采用抗拔桩模型减少了约46%，按照目前的构件尺寸厚度，结构配筋可满足受力要求。
根据模型3计算结果，抗拔桩处弹簧拉力标准值为519KN，根据《建筑桩基技术规范》中抗拔桩承载力计算公式[6]，40m长桩基抗拔承载力特征值为6524KN，折算到每延米抗拔力为6524/9.12=715.4KN。抗拔桩长度能够满足主体结构受力要求。
3结论
（1）对于埋深较深的盖挖逆作车站，通过钢管柱下桩基兼做抗拔桩，可有效改善车站主体结构变形及受力。
（2）由于抗拔桩的约束作用使得底板跨中弯矩、底板与侧墙支座弯矩得到削减，对于整体受力及配筋产生有利影响，有利于优化结构构件尺寸。
（3）选取合适的抗拔桩简化计算模型，即大刚度弹簧模拟可使得结构受力状态更接近于实际。
（4）建议在实际施工过程中对车站结构与抗拔桩协同作用下的变形进行大量广泛的监测，在实测数据基础上对理论计算进一步完善。
参考文献
[1] 孙佳伟.采用抗拔桩抗浮的地铁车站结构内力影响分析[J].建筑科学,2018(7):97
[2] 陈祥达.地铁车站设计中抗拔桩的计算模型研究[J].学术探讨,2016(3):55-59
[3] 彭帅,王呼佳．抗拔桩在地下车站主体结构计算模型中的边界条件研究［J］．工程实践，2012，3: 52-58
[4] 胡云华,郭小红．抗拔桩对隧道主体结构的影响分析［J］．地下空间与工程学报，2011，7(1): 93-98
[5] 张跃明．抗拔桩变形及对地铁车站结构计算影响分析［J］．地下空间与工程学报，2014，6(6): 519-524
[6] JGJ94-2008，建筑桩基技术规范
论文作者:吴双双
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷21期
论文发表时间:2020/3/14
标签：模型论文; 弯矩论文; 底板论文; 结构论文; 车站论文; 支座论文; 刚度论文; 《建筑实践》2019年38卷21期论文;