極端氣候條件下地鐵圍擋結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)值仿真計算

□文/柴艷飛

極端氣候條件下地鐵圍擋結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)值仿真計算

□文/柴艷飛

目前，國內(nèi)軌道交通施工場地使用的圍擋一般均為磚圍擋，不僅施工成本高，而且不可回收利用，不利于環(huán)境保護的實施。文章提出磚砌塊矮墻+夾芯彩鋼板圍擋結(jié)構(gòu)作為施工場地圍擋結(jié)構(gòu)并且通過數(shù)值模擬驗證了極端氣候條件下該圍擋的結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

圍擋；數(shù)值模擬；極端氣候；軌道交通

軌道交通工程建設(shè)量逐年增大，施工場地的圍擋建設(shè)量非常大。場地圍擋結(jié)構(gòu)屬于臨時性建筑物，但是圍擋一般緊鄰路面或是建構(gòu)筑物，有的近臨河流、湖泊等，其安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，尤其在自然條件比較惡劣的情況下，安全與穩(wěn)定性，靈活與美觀性，施工周期與經(jīng)濟性均是設(shè)計考慮的核心問題。

1　圍擋設(shè)計原則

本文涉及的圍擋適用于國內(nèi)地鐵車站及隧道區(qū)間、施工豎井等永久性施工圍擋、臨時圍擋設(shè)計與施工。

1）圍擋材料、結(jié)構(gòu)尺寸及外飾面等的要求滿足安全性、堅固性、靈便性、美觀性、經(jīng)濟性等基本功能需求。

2）考慮當(dāng)?shù)貧夂蛴绊憽３浞挚紤]氣候，尤其是風(fēng)力的影響，以烏魯木齊地區(qū)為例，烏魯木齊多年平均風(fēng)速為2.4m/s，最大風(fēng)速38m/s（瞬時），本文圍擋設(shè)計考慮極端風(fēng)速（11級大風(fēng)）條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計。

2　設(shè)計方案

2.1圍擋矮墻及基礎(chǔ)

圍擋結(jié)構(gòu)設(shè)計首先要確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，本工程圍擋結(jié)構(gòu)承受的最大水平荷載是風(fēng)荷載，根據(jù)對疆烏魯木齊氣象站的氣象數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,近58 a烏魯木齊最大風(fēng)速為30.7m/s。

基礎(chǔ)部分采用整體穩(wěn)定性更好，施工更快速的混凝土結(jié)構(gòu)（C20混凝土），截面尺寸高×寬為300mm× 300mm，矮墻采用施工較快的24磚砌體墻，矮墻結(jié)構(gòu)尺寸高×寬為500mm×240mm。

矮墻底部地面設(shè)置5‰的排水坡度，坡度寬度為500mm，減少雨季雨水和春融期雪水對基礎(chǔ)的腐蝕和浸泡。

2.2立柱

設(shè)計主要考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、施工方便、施工速度及經(jīng)濟成本，相比較磚砌體及混凝土柱，型鋼具有強度高，可以預(yù)制拼裝，施工快捷靈便，可以重復(fù)利用，不僅可以節(jié)約成本，而且可以節(jié)能減排，降低環(huán)境污染，所以本工程的圍擋立柱采用型鋼。

根據(jù)圍擋荷載傳遞路徑，最終的荷載均由立柱來承擔(dān)，立柱下部設(shè)立混凝土基礎(chǔ)，混凝土采用C20商品混凝土。為預(yù)埋鋼立柱固定的高強螺栓和提高立柱整體的穩(wěn)定性，立柱矮墻采用C20商品混凝土，立柱間距為4m，相鄰雙立柱的凈距為300mm，每隔一個圍擋，圍擋立柱后面設(shè)置一道角鋼斜撐（L75×6），斜撐與圍擋立柱采用M 10螺栓連接，圍擋采用50mm夾芯彩鋼板，彩鋼板上下設(shè)置上下橫梁，上下橫梁均設(shè)置槽鋼，用來固定夾芯彩鋼板，上下橫梁插入圍擋立柱預(yù)留方口內(nèi)，與圍擋立柱連接固定。圍擋立柱頂部設(shè)置柱頭蓋帽，增加立柱的美觀性。

2.3圍擋板設(shè)計

圍擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮穩(wěn)定性、施工靈便性及經(jīng)濟性，對比國內(nèi)軌道交通及建筑工地圍擋板的特點，結(jié)合烏魯木齊的氣候條件，圍擋板采用形式為夾芯彩鋼板即厚度為0.426mm彩鋼板+50mm巖棉+0.426mm彩鋼板，單塊圍擋板采用標(biāo)準(zhǔn)化尺寸，即2m×2m，圍擋板邊設(shè)置凹凸卡槽。為加快施工速度，采用在圍擋上下橫梁加設(shè)槽鋼卡扣的連接形式，實現(xiàn)圍擋板的快速安裝和拆卸。

考慮到新疆烏魯木齊氣候條件，本方案對圍擋在烏魯木齊極端大風(fēng)氣候條件即11級大風(fēng)下進行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算，為使圍擋結(jié)構(gòu)更加牢固安全，在立柱后面每隔一個圍擋板，架設(shè)一道斜撐，斜撐采用等邊角鋼。

3　圍擋穩(wěn)定性數(shù)值分析

圍擋結(jié)構(gòu)設(shè)計首先要確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，由于本工程處于烏魯木齊市區(qū)，受風(fēng)荷載影響最大且施工工期較長，故考慮圍擋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力。

圍擋結(jié)構(gòu)自重對圍擋抗傾覆是有利荷載，本圍擋為輕質(zhì)夾心彩鋼板加型鋼立柱，自重較小，圍擋抗傾覆穩(wěn)定性計算中不予考慮。

風(fēng)荷載作用下圍擋容易產(chǎn)生傾覆失穩(wěn)，按最不利情況考慮，風(fēng)向為水平、垂直于圍擋方向時風(fēng)力最大，因為永久圍擋較高，以永久圍擋為例，對圍擋的結(jié)構(gòu)進行抗風(fēng)穩(wěn)定性分析計算。

風(fēng)荷載計算。工程工期約為6 a，設(shè)計圍擋按照承受50 a一遇大風(fēng)，根據(jù)GB 50009—2011《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》可以查得，烏魯木齊市區(qū)50 a一遇基本風(fēng)壓為0.6kN/m2。

圍擋結(jié)構(gòu)荷載傳遞。受力結(jié)構(gòu)主要為型鋼立柱、錨固螺栓及斜撐角鋼，對整個圍擋抗傾覆穩(wěn)定的關(guān)鍵點在于錨固螺栓的抗彎拉和抗剪強度。矮墻磚砌基礎(chǔ)由于自重較大，而且高度較低，自身具有抗風(fēng)能力，作用在下座上的風(fēng)荷載不考慮其傳遞到型鋼立柱上。設(shè)計風(fēng)壓為1.33 kN/m2，風(fēng)壓傳至立柱為均布荷載，均布荷載q=1.33×4=5.32（kN/m）。

3.1穩(wěn)定性計算

圍擋型鋼立柱與地面采用高強螺栓連接，可以視為固接，剪力由4個螺栓（不考慮斜撐角鋼的加強作用）。

僅考慮風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩僅由4個螺栓承擔(dān)，為了增強圍擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在極端大風(fēng)情況下仍能保證安全穩(wěn)定，在圍擋立柱，每隔一個圍擋，增加一個角鋼斜撐。

3.2數(shù)值仿真計算

為驗證所設(shè)計的圍擋的穩(wěn)定性和安全性，采用SAP2000有限元軟件，按照1∶1模型，實際模擬烏魯木齊11級大風(fēng)條件下，圍擋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變情況。

模型為一個鋼立柱彩鋼板（雙層鐵皮夾巖棉），鋼立柱間距為4m，圍擋高度為6m，鋼立柱采用H PB235級型鋼，鋼立柱的截面為矩形截面，梁截面尺寸為150mm×150mm×5mm（厚度），考慮風(fēng)荷載，基本風(fēng)壓為0.6 kN/m2（烏魯木齊50a一遇風(fēng)荷載），地面粗糙類型。

經(jīng)過多個工況分析，圍擋板在11級大風(fēng)情況下，圍擋結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱和圍擋板的底部，最大應(yīng)力達到196 MPa，見圖1，而Q 235鋼材的屈服強度達到了235 MPa，圍擋板在11級大風(fēng)情況下，鋼材仍然沒有達到屈服強度，說明結(jié)構(gòu)強度滿足要求，圍擋結(jié)構(gòu)最大變形出現(xiàn)在圍擋的上部，在11級大風(fēng)極端惡劣的情況下，最大位移達到49mm，底部最大位移為3.5mm，見圖2，圍擋板變形在彈性變形范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

圖1　圍擋結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖2　圍擋結(jié)構(gòu)變形

4　結(jié)語

圍擋結(jié)構(gòu)作為地鐵工程臨時性建筑，在全國范圍內(nèi)均沒有引起足夠重視，發(fā)生過多起圍擋破壞、失穩(wěn)事故，造成了巨大生命財產(chǎn)損失。目前很多地區(qū)采用磚圍擋，不僅成本高，而且結(jié)構(gòu)存在很大的安全隱患。本文通過對圍擋的安全、穩(wěn)定性進行數(shù)值仿真計算，驗證了磚砌塊矮墻+夾芯彩鋼板圍擋結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定性，希望本文的圍擋結(jié)構(gòu)設(shè)計可以為烏魯木齊軌道交通和國內(nèi)圍擋結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒和參考。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.03.025

□U231

□C

□1008-3197（2015）03-65-02

□2015-01-12

□柴艷飛/男，1986年出生，工程師，碩士，中建六局，從事巖土工程、地下結(jié)構(gòu)工程研究工作。