裝配式鋼結構反力墻受力分析研究

汪鵬，張振，王松

（中鐵四局集團有限公司設計研究院，安徽 合肥 230022）

1 引言

綜合管廊工程是指在城市道路下建造一個市政公用隧道，將電力、通信、供水、燃氣多種市政管線集中在一起，實行“統一計劃、統一建設、統一管理”，以做到地下空間的綜合利用和資源共享。海口作為全國首批地下綜合管廊試點城市之一，計劃建成地下綜合管廊96.47km。在海口管廊建設中，首次采用U型盾構施工方法，可節省工費和縮短工期[1]。

圖1 U型盾構機

該種盾構需要在始發井內組裝成型，需要始發井內設置反力墻提供較大的頂進反力。反力墻是一種為框架涵、頂管、盾構等頂進設備提供頂進反力的結構，一般的頂力后背為鋼筋混凝土墻，這種混凝土結構穩定，可靠并且可以提供很大的反力[2]。

根據海口管廊項目現場實際需要，設計的反力墻要求能夠可拆卸多次使用，可以根據不同管廊截面調節反力墻的大小[3]。

始發井圍護結構設計圍護樁和鋼板樁2種支護形式，分別對2種支護形式下反力墻受力情況進行數值計算分析。

支撐反力墻的鋼圍檁采用H300×300型鋼，間距80cm，與圍護樁之間采用上掛下撐形式進行連接[4]。

2 模型建立

為了確保計算的準確性，建立實體模型。

鋼結構反力墻分為2個構件組成，分別為角件和邊件，2個構件之間采用法蘭盤連接，其中邊件可以分為多種型號，通過調節邊件長度來適應單艙管廊和雙艙管廊，如圖2所示。

圖2 角件和邊件

圖3 鋼結構反力墻

鋼圍檁的作用是將盾構機施加在反力墻上的作用力平均分配到圍護樁上，使圍護樁和反力墻更加協調工作。

①土體模型：土體采用彈性材料模擬，選取一種砂質粘土的土質參數，E=30MPa，v=0.45頂托在模型中使用2cm厚鋼墊片，目的是為了更好地分擔千斤頂的力。

②連接：所有連接均采用綁定，圍檁與支護結構之間采用無摩擦接觸。

圖4 鋼圍檁

③邊界條件：邊界條件為將土體三面固定，在鋼頂托上施加法向力。

④工況介紹：鋼結構頂力后背主要受力為盾構頂進時產生的千斤頂反力，經過現場調研發現，單倉管廊最大頂進力為6000kN，雙倉管廊最大頂進力為10000kN。

3 計算結果

3.1 鋼板樁計算結果

當圍護結構采用Ⅳ型鋼板樁時，計算結果如下。

3.1.1 單艙管廊

單倉管廊反力墻在6000kN的頂推力作用下，其各部分應力及變形情況如下圖。

圖5 鋼圍檁應力云圖

圖6 反力墻應力云圖

圖7 整體位移云圖

由圖可見，在6000kN頂推力的情況下，鋼圍檁部分最大應力為232.37MPa，反力墻最大應力為143.07MPa，整個結構最大位移為11.83mm。

圖8 鋼圍檁應力云圖

圖9 反力墻應力云圖

圖10 整體位移云圖

3.1.2 雙艙管廊

雙艙反力墻在1000kN頂推力作用下，其各部分應力及變形情況如下圖。

圖11 鋼圍檁應力云圖

圖12 反力墻應力云圖

圖13 整體位移云圖

由圖可見，在10000kN頂推力的情況下，鋼圍檁部分最大應力為210MPa，反力墻最大應力為106.6MPa，整個結構最大位移為16.7mm。

3.2 鉆孔樁計算結果

3.2.1 單艙管廊

由圖可見，在6000kN的頂推力作用下，鋼圍檁部分最大應力為101.69MPa，反力墻最大應力為218.16MPa，整個結構最大位移為14.385mm。

3.2.2 雙艙管廊

圖14 鋼圍檁應力云圖

圖15 反力墻應力云圖

圖16 整體位移云圖

由圖可見，在10000kN的頂推力作用下，鋼圍檁部分最大應力為140.83MPa，反力墻最大應力為191.37MPa，整個結構最大位移為17.864mm。

4 結論

①經過計算，可知相同作用下，鉆孔樁支護時，頂力后背應力較大，鋼圍檁應力較小，鋼板樁支護時，頂力后背應力較小，鋼圍檁應力較大，而4種情況下構件應力均小于235MPa，構件可在正常荷載下正常使用。

②在相同作用下，鋼板樁的位移小于鉆孔樁，單倉雙倉情況下，兩種支護形式的位移分別為11.8mm、16.7mm、14.84mm、17.86mm。