地下空間結(jié)構(gòu)U型組合梁轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

陳海斌，陳 偉

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

1 工程概況

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人口急劇膨脹，許多城市都出現(xiàn)中心區(qū)土地資源稀缺、生存空間擁擠、交通阻塞及環(huán)境惡化等一系列問(wèn)題。當(dāng)城市發(fā)展遇到瓶頸的時(shí)候，立體空間的開(kāi)發(fā)就變得尤為重要，充分利用地面、高空和地下的空間，可以增大城市容量，合理開(kāi)發(fā)潛在空間資源，提高交通效率，改善城市環(huán)境，加上地下交通的大力發(fā)展以及地下建筑功能的多樣化特征，因此地下空間的建設(shè)已成為當(dāng)今城市發(fā)展及建設(shè)的重點(diǎn)，現(xiàn)代地下建筑結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用越來(lái)越被人們重視。

萬(wàn)博中央商務(wù)區(qū)位于番禺區(qū)北部，地下空間工程分地下商業(yè)建筑和市政工程兩大部分，其中市政工程部分又分地面道路和地下道路兩個(gè)層次。漢溪大道主干道、萬(wàn)博二路、海順路次干道及萬(wàn)惠一路、萬(wàn)惠二路、萬(wàn)博一路、匯智三路支路，沿線(xiàn)橋梁為地面道路系統(tǒng)。萬(wàn)惠路及萬(wàn)博一路負(fù)一層隧道以及地下環(huán)路系統(tǒng)(含主環(huán)路、循環(huán)通道及出入口隧道)組成的地下道路系統(tǒng)。

地下空間三層建筑結(jié)構(gòu)的典型橫斷面，負(fù)一、二、三層分別為車(chē)行隧道、商場(chǎng)和主環(huán)路車(chē)行隧道，負(fù)三層主環(huán)路隧道頂板跨度為24.863 m，采用U型組合梁進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

U型組合梁為首次應(yīng)用在地下空間結(jié)構(gòu)作為轉(zhuǎn)換梁的構(gòu)件，U型組合梁最大跨度25.88 m，梁高1.8 m，U型鋼梁腹板厚度25 mm，底板厚度30 mm，底板和腹板設(shè)置加勁肋，腹板翼緣設(shè)置剪力釘與混凝土結(jié)構(gòu)銜接。U型鋼箱梁在距離兩端5.25 m的范圍設(shè)置倒U型鋼梁，增加U型鋼梁在端部的抗剪能力并抵抗負(fù)彎矩，倒U型鋼梁頂板厚度30 mm，腹板厚度20 mm，頂板預(yù)留混凝土灌注孔。U型梁空腔內(nèi)灌注C40混凝土，提高其作為轉(zhuǎn)換梁的剛度，減少因轉(zhuǎn)換梁下?lián)蠈?dǎo)致負(fù)一、二層立柱下沉，給上層建筑造成不利的影響。U型梁間距約4.5 m，U型梁之間采用正交異性板作為混凝土底模，方便隧道頂板混凝土澆筑。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 有限元模型

考慮到U型組合梁的間距約為4.5 m，計(jì)算時(shí)取4.5 m的縱向?qū)挾冗M(jìn)行地下空間結(jié)構(gòu)斷面的建模。有限元模型選用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，不考慮結(jié)構(gòu)的普通鋼筋，采用自動(dòng)實(shí)體網(wǎng)格四面體劃分結(jié)構(gòu)單元，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體采用不同的網(wǎng)格尺寸，滿(mǎn)足不同的精度要求。計(jì)算模型總單元數(shù)和總節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為242 049和48 826。主要施工階段包括。

(1)施工負(fù)三層隧道，安裝U型組合梁；

(2)灌注U型組合梁混凝土；

(3)施工負(fù)二層隧道；

(4)施工負(fù)一層隧道。

本構(gòu)關(guān)系。

(1)鋼材本構(gòu)關(guān)系為等向強(qiáng)化二折線(xiàn)模型，其中強(qiáng)化段E'=0.01E，采用Mises屈服準(zhǔn)則。

圖1 常數(shù)模型

(2)混凝土本構(gòu)關(guān)系為彌散式總應(yīng)變裂縫模型，彌散式總應(yīng)變裂縫模型受拉函數(shù)選擇圖1的constant函數(shù)，受壓函數(shù)選擇圖2的Thorenfeldt函數(shù)。在分析控制中選擇修正Newton-Raphson方法作為迭代法類(lèi)型。這種本構(gòu)關(guān)系將混凝土作為各項(xiàng)異性的材料進(jìn)行處理，受拉區(qū)混凝土應(yīng)力值達(dá)到開(kāi)裂應(yīng)力時(shí)，混凝土垂直于拉應(yīng)力方向?qū)⑸闪芽p，在程序中通過(guò)修改材料本構(gòu)模型來(lái)考慮裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和應(yīng)力的影響。

圖2 Thorenfeldt模型

2.2 分析結(jié)果

本文給出了各個(gè)施工階段U型組合梁沿梁軸向的應(yīng)力，可以看出。

(1)U型鋼梁的應(yīng)力水平均較低，表明U型組合梁具有足夠的安全儲(chǔ)備，U型鋼梁的最大應(yīng)力為25 MPa。

(2)主環(huán)路負(fù)三層隧道側(cè)墻在U型組合梁錨固端的位置出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，可以通過(guò)增加此處的鋼筋配置來(lái)確保此處的裂縫寬度控制在允許的范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合有限元分析軟件Midas FEA對(duì)萬(wàn)博地下空間U型組合梁大跨度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并對(duì)其受力性能進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)論。

(1)U型組合梁適用于大跨度、 大荷載的隧道頂板設(shè)計(jì)，如頂板上托一到二層公用建筑物(商場(chǎng)、設(shè)備機(jī)房等)的情況下，U型組合梁的跨度可達(dá)到30～35 m，但在U型組合梁上托柱容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中情況，可采用型鋼加強(qiáng)等措施來(lái)解決。

(2)U型組合梁鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較低，混凝土壓應(yīng)力也在允許的范圍內(nèi)，受力合理。

(3)U型組合梁存在眾多鋼格室，施工過(guò)程中應(yīng)保證鋼格室內(nèi)部混凝土振搗密實(shí)，在U型組合梁頂板開(kāi)設(shè)了注漿孔，在混凝土注漿開(kāi)孔處，截面被削弱鋼板應(yīng)力水平會(huì)增大，導(dǎo)致減弱了其傳力能力，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需合理設(shè)置注漿孔的位置、數(shù)量等。

(4)隧道頂板U型組合梁存在以下優(yōu)點(diǎn)。

①傳力路線(xiàn)明確，上層的柱將作用力傳到U型梁，再?gòu)腢型組合梁傳到兩側(cè)墻，樓板起到導(dǎo)荷載作用并不是主受力構(gòu)件，這樣傳力路線(xiàn)更明確。

②U型組合梁設(shè)計(jì)可避免厚板計(jì)算中板上立柱的問(wèn)題，不會(huì)形成柱對(duì)樓板沖切的薄弱區(qū)。

③U型組合梁施工方便，正交異性板可作為施工模板，節(jié)省施工時(shí)間。