地鐵車站STS工法鋼管混凝土橫向連接正截面受彎數(shù)值模擬研究

謝　欣，趙　文，關永平

(東北大學，遼寧 沈陽 110004)

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地鐵車站STS工法鋼管混凝土橫向連接正截面受彎數(shù)值模擬研究

謝欣，趙文，關永平

(東北大學，遼寧 沈陽 110004)

摘要：韓國STS工法是一種用于下穿高速公路的隧道施工工法，該工法主要是采用管幕作為初期支護，具有沉降小、施工速度快的特點。沈陽某地鐵車站施工將采用韓國STS與洞樁法施工技術結合的方法。然而焊接下翼緣板的改進，使得結構的抗彎剛度等一系列力學性能發(fā)生了較大的改變，迫切需要相關研究為施工與設計提供理論基礎。使用ANSYS有限元分析軟件，得到了STS結構豎向荷載作用下的應力分布與變形特點，結果表明焊接翼緣板在提升結構抗彎性能中起到了重要的作用。同時通過鋼管的應力分布與變形特點，發(fā)現(xiàn)了翼緣板焊接后鋼管壁出現(xiàn)了橫向拉伸變形，該變形使得結構出現(xiàn)了應力集中的現(xiàn)象，同時也說明此時平截面假定不適用。

關鍵詞：STS工法；管幕結構；正截面受彎

管幕工法是當今地下結構施工中應用較多的一種施工工法。中國使用管幕法施工有三十年的歷史[1]，在此期間孫鈞[2]、朱合華[3]、李耀良[4]、閻石[5]、于曉東[6]、劉學增[7]、王秀志[8]等人都對管幕法展開了相關研究。

韓國工程師在管幕法的基礎上發(fā)展出多種適用于不同工程需要的管幕施工工法，很多學者針對各管幕法的力學性能進行了研究工作，如Innjoon Park[9]等人使用FLAC 3D有限元分析軟件對TRT工法進行了數(shù)值模擬研究。STS工法就是韓國一種用于下穿高速公路隧道的管幕施工方法，該工法采用頂管施工方法，將單管頂入土體后連接形成管幕，然后在管幕的維護下，一步步安裝支護，開挖土體，澆筑主體結構，最終實現(xiàn)結構的閉合成環(huán)。

洞樁法(PBA)是一種國內(nèi)應用較為普遍的地鐵暗挖施工工法，產(chǎn)生于20世紀90年代，北京地鐵天安門西站首次采用該工法[10]。國內(nèi)瞿萬波[11]、袁揚[12]、宋漢甫[13]、楊慧林[14]、呂波[15]等學者對洞樁法開展了研究工作，該工法理論基礎與施工技術較為成熟。

沈陽某待建地鐵車站暗挖施工將采用STS工法與洞樁法結合的方法，以單管頂進技術為基礎，利用鋼管間橫向連接螺栓及翼緣板進行連接，澆筑混凝土形成管幕結構作為開挖期間臨時支護體系，如圖1所示。STS工法中鋼管與鋼管之間的橫向連接成為較為薄弱的部位，在韓國工法的施作中結構跨度較小，鋼管間使用螺栓焊接即可滿足施工要求。但考慮到用于該工法應用于地鐵車站施工時，結構跨度較大，且頂部采用平頂設計，結構承受的彎矩、剪力較大，有必要通過焊接鋼管間受拉區(qū)翼緣板的方式增大鋼管橫向連接剛度，控制初期支護結構的變形。

圖1STS管幕工法結構示意圖

由于受拉區(qū)翼緣板焊接對管幕結構力學性能影響較大，但至今尚未有類似結構形式的施工案例以及相關研究。因而，需要先通過數(shù)值模擬出管幕橫向受彎后的受力與變形情況，為結構的設計與施工提供理論依據(jù)。

1　STS管幕結構基本參數(shù)

STS管幕結構采用直徑900 mm的鋼管，相鄰鋼管之間通過橫向螺栓和翼緣板進行連接，并在鋼管間和鋼管內(nèi)填充混凝土，繼而形成板狀結構，如圖2所示。

圖2STS管幕結構橫向連接示意圖

STS工法中使用的是特制的鋼管，包括圓鋼管、翼緣板、導槽三個部分，鋼管具體尺寸如圖3所示。鋼管采用Q235鋼，厚度22 mm，兩側預留有用于安放螺栓的孔洞，鋼管間采用8.8級M27螺栓進行連接。翼緣板也采用Q235鋼，厚度22 mm，僅將相鄰鋼管間混凝土受拉區(qū)一側的翼緣板焊接起來，而受壓區(qū)一側相鄰鋼管的翼緣板之間則不作焊接處理。鋼管內(nèi)與鋼管間采用C40混凝土。

圖3STS鋼管尺寸圖(mm)

2　數(shù)值模擬試驗

將沿鋼管方向1.5 m、橫向8根鋼管組成的部分結構作為基本受力結構，如圖4所示，使用ANSYS有限元分析軟件進行靜力分析。模型不考慮螺栓和混凝土之間的相對滑移，認為相鄰翼緣板焊接后成為一整塊翼緣板，不考慮之間焊縫的作用，同時由于上側翼緣板未做焊接處理，因而不考慮其對結構的影響。

圖4數(shù)值模擬基本結構示意圖

數(shù)值模型中采用簡支支座，在左邊第一個鋼管底部節(jié)點上施加豎向及橫向約束，右邊第一個鋼管節(jié)點上施加豎向約束，簡支結構跨距6 930 mm，如圖4所示。在中間六根鋼管頂部節(jié)點上施加豎直向下的集中荷載，共計54個大小相同的集中荷載，模擬結構頂部受土壓力的狀態(tài)。集中荷載分別取5 kN、10 kN、15 kN三種大小，對應荷載編號如表1所示，用以反映混凝土在不同大小荷載作用下的受力特點。

表1　結構跨中最大位移

圖5數(shù)值模型單元類型示意圖

如圖5所示，在模型中混凝土采用Solid 65混凝土單元，混凝土本構關系采用《混凝土結構設計規(guī)范》[16](GB 50010—2010)中的應力應變公式，定義混凝土抗壓強度19.0 MPa，混凝土抗拉強度1.70 MPa，允許混凝土單元發(fā)生開裂。橫向連接螺栓采用link8桿單元，屈服強度640 MPa，彈性模量210 GPa。鋼管與下翼緣板均采用的是shell 63彈性殼單元，厚度22 mm，屈服強度210 MPa，彈性模量210 GPa。不考慮鋼管與混凝土之間的分離以及螺栓與混凝土之間的相對滑移，鋼管與混凝土單元之間、螺栓與混凝土單元均共用節(jié)點。

3　數(shù)值模擬結果

模型在三種荷載作用下，各荷載作用下的最大位移如表1所示?？梢钥闯鲭S著荷載成比例的增大，位移增長速率要明顯高于荷載增大速率，說明結構抗彎剛度有了明顯的下降，有可能是混凝土開裂導致的。

結合圖6與圖7可以看出，結構壓應力主要由鋼管間的受壓區(qū)混凝土、受壓區(qū)鋼管以及螺栓承擔，而拉應力主要是由鋼管、翼緣板以及螺栓承擔。注意到圖6中跨中位置翼緣板拉應力在21.534 MPa～33.443 MPa的范圍內(nèi)，而圖7中跨中位置螺栓拉應力在47.732 MPa～59.254 MPa，當采用相同彈性模量的材料時離中性軸較遠的翼緣板應力小于離中性軸較近的螺栓，說明此時受彎構件平截面假定是不適用的。

圖6荷載3作用下受拉區(qū)水平應力圖

圖7荷載3作用下螺栓受力圖

當施加荷載1后，混凝土最大第一主應力出現(xiàn)在跨中位置鋼管內(nèi)側靠近翼緣板的部位(1.049 MPa～0.211 MPa)，如圖8所示。隨著荷載的增大，該位置拉應力逐漸上升，達到混凝土抗拉極限強度，發(fā)生開裂。隨著混凝土從跨中向兩端的開裂，混凝土的最大拉應力的位置由跨中向兩側推移，當荷載達到15 kN時，混凝土最大應力發(fā)生在兩側第二根鋼管和第三根鋼管之間的位置(1.22 MPa～1.463 MPa)，如圖9所示。

圖8荷載1作用下跨中混凝土第一主應力

圖9荷載3作用下混凝土第一主應力

將荷載3作用下跨中位置的鋼管提取出來變形放大100倍，如圖10所示，可以看出鋼管在翼緣板的拉伸下有明顯的變形(以下稱該變形為鋼管橫向拉伸變形)。在鋼管壁與翼緣板連接處，鋼管壁外側出現(xiàn)了應力集中的現(xiàn)象(最大拉應力118.1 MPa)。鋼管橫向拉伸變形是產(chǎn)生上文翼緣板水平方向拉應力(21.534 MPa～33.443 MPa)小于同截面上螺栓拉應力(47.732 MPa～59.254 MPa)的原因。因而在計算結構的正截面抗彎剛度時，不能直接使用平截面假定將翼緣板截面用于慣性矩疊加，而是應該先綜合鋼管拉伸變形與翼緣板的拉伸變形進行相應的折減，然后再根據(jù)正截面受力特點進行剛度計算。

圖10荷載3作用下跨中鋼管及翼緣板第一主應力放大圖

4　結　論

通過對STS管幕構件的數(shù)值模擬試驗，得到了STS結構在靜力作用下的變形與應力分布云圖。通過對不同荷載下各試件變形與應力分布規(guī)律的研究，可以得到如下幾條結論：

(1)結構在受到彎矩作用后，壓應力主要由鋼管間的受壓區(qū)混凝土、受壓區(qū)鋼管以及螺栓承擔，而拉應力主要是由鋼管、翼緣板以及螺栓承擔，焊接翼緣板起到了很大的作用。

(2)彎矩作用下，鋼管會發(fā)生拉伸變形，鋼管壁會出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，鋼管橫向結構不滿足平截面假定。

參考文獻：

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NumericalSimulationResearchonTransverseAnti-bendingCharacteristicsofConcreteFilledSteelTubesinSTSMethodforSubwayStations

XIE Xin,ZHAO Wen,GUAN Yong-ping

(NortheasternUniversity,Shenyang,Liaoning110004,China)

Abstract：Korean STS (Steel Tube Slab)method is a new metro subsurface excavation method for tunnels beneath the highways.According to this method,the pipes are used as the supporting materials while the tunnel is under construction,which only causes small settlement and saves time on construction A method that combines the STS method and the domestic Pile Beam Arch method (PBA)will be used for the construction of a subway station in Shenyang.However,the improved welded flange slab in new method will cause great changes in the mechanical properties of the structure,such as the bending stiffness.Therefore associated research is much needed to provide theoretical basis for the design and construction.The stress distribution and deformation of the simple supported STS structure under vertical load was acquired by using the the finite element software ANSYS.The result indicates that the welded flange slab plays an important role in improving the anti-bending property of the structure.The transverse tensile strain of steel pipe occurs after the welding of the flange slabs according to the stress distribution and the deformation of the structure,which may cause the stress concentration,and proves that the plane section assumption cannot be used for the STS structure.

Keywords：STS method;pipe roof structure;bending normal section

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.014

中圖分類號：TU392.3

文獻標識碼：A

文章編號：1672—1144(2014)06—0074—04

作者簡介：謝欣(1989—)，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，研究方向為巖土工程。

收稿日期：2014-09-04修稿日期：2014-10-13