地鐵深基坑鋼支撐失穩(wěn)的受力分析

鄭紅軍

摘 要：本文以鄭州市軌道交通6號(hào)線為背景，采用ABABQUS有限元分析軟件，對(duì)地鐵深基坑鋼支撐失穩(wěn)狀態(tài)下的三角鋼架及起固定作用的膨脹螺栓的受力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)計(jì)算與分析，得出三角鋼架與膨脹螺栓的應(yīng)力、位移。結(jié)果表明，地鐵深基坑一端的鋼支撐失穩(wěn)時(shí)，鋼支撐、鋼圍檁的全部重力由另一端三角鋼架支撐，這種情況下，三角鋼架、膨脹螺栓完全滿足鋼支撐墜落時(shí)的變形和強(qiáng)度要求，這是一種完全可靠的支撐裝置。

關(guān)鍵詞：鋼支撐失穩(wěn);數(shù)值模擬;膨脹螺栓;受力分析;膨脹螺栓

中圖分類號(hào)：TU473文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）29-0122-03

Abstract： Taking Zhengzhou Rail Transit Line 6 as the background， this paper used ABABQUS finite element analysis software to numerically simulate the force characteristics of the triangular steel frame and the fixed expansion bolts under the unstable state of the steel support of the subway deep foundation pit， and obtained the stress and displacement of the triangular steel frame and expansion bolts through calculation and analysis. The results show that when the steel support at one end of the deep foundation pit of the subway loses stability， all the gravity of the steel support and the steel purlin is supported by the triangular steel frame at the other end， in this case， the triangular steel frame and expansion bolts fully meet the deformation and strength requirements of the steel support when it is dropped， which is a completely reliable support device.

Keywords： steel support instability;numerical simulation;expansion bolts;force analysis;expansion bolts

地鐵線路車站建設(shè)是地鐵施工過(guò)程中的難點(diǎn)工程，需要更大、更深的地下空間，基坑開挖以及車站建設(shè)過(guò)程中需要的支護(hù)結(jié)構(gòu)也會(huì)更加復(fù)雜。因此，地鐵車站深基坑施工中需要使用超、斜鋼支撐作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，其受力變形復(fù)雜，設(shè)計(jì)中若考慮不周，易出現(xiàn)鋼支撐失穩(wěn)而引發(fā)墜落事故。鋼支撐自重極大，發(fā)生墜落將有可能砸落下一道鋼支撐，甚至造成連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)內(nèi)支撐體系失效，對(duì)整個(gè)工程危害極大[1-5]。另外，鋼支撐墜落對(duì)下方施工人員、施工機(jī)械也造成極大危害。因此，在鋼支撐墜落情況下，三角鋼架能否承受鋼支撐的全部重力，防止鋼支撐完全脫落，是一個(gè)非常重要的問(wèn)題[6-9]。

本文研究的主要內(nèi)容是鋼支撐一端發(fā)生失穩(wěn)墜落，另一端三角支架完全獨(dú)自承受鋼支撐的自重情況下的受力情況，運(yùn)用ABABQUS有限元分析軟件建模并進(jìn)行數(shù)值分析，得出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，為深基坑內(nèi)支撐設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

泉州路站是鄭州市軌道交通6號(hào)線市政配套工程的中間站，車站中心里程為YDK14+258.000。該站位于文博大道與泉州路交叉口，沿文博大道方向進(jìn)行東西向設(shè)置。車站周邊為規(guī)劃用地，現(xiàn)階段為空地。車站兩端區(qū)間均為盾構(gòu)區(qū)間，根據(jù)工程籌劃，大里程端為盾構(gòu)接收，小里程端為盾構(gòu)始發(fā)。

本站為地下兩層島式車站，設(shè)置雙停車線，站臺(tái)寬度為11 m，車站主體總長(zhǎng)約為515 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬為20.1 m，擴(kuò)大端基坑寬為24 m，中心里程為DK14+258.000，頂板覆土約為3.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約為17.45 m，盾構(gòu)井段底板埋深約為17.9 m。本站為地下兩層單柱雙跨（局部雙柱三跨）箱形框架結(jié)構(gòu)，車站主體及附屬結(jié)構(gòu)均采用明挖法施工。

1.2 基坑圍護(hù)及內(nèi)支撐設(shè)計(jì)

車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段基坑采用[Φ]1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁+3道[Φ]609 mm鋼管支撐。基坑第一道支撐直接設(shè)置于樁頂冠梁之上。鉆孔灌注樁之間采用掛[Φ]6.5 mm@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)片，并噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)。

1.3 鋼支撐構(gòu)造

鋼支撐指運(yùn)用鋼管、H型鋼、角鋼等增強(qiáng)工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，一般情況是傾斜的連接構(gòu)件，最常見(jiàn)的是人字形和交叉形狀。目前，鋼支撐在地鐵、基坑圍護(hù)方面被廣泛應(yīng)用，鋼支撐可回收再利用，具有經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等特征。鋼支撐構(gòu)造詳情如圖1所示，三角鋼架構(gòu)造詳情如圖2所示。

2 數(shù)值分析

建立的有限元模型如圖3所示。本次模擬對(duì)象選取第一道鋼支撐，取冠梁長(zhǎng)度1.0 m、截面尺寸0.8 m×0.9 m，三角鋼架、膨脹螺栓尺寸與圖2一致，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

施加約束、荷載如下：冠梁底部施加固定約束，冠梁沿軸向施加軸向約束，豎向施加重力加速度。

冠梁、三角鋼架、膨脹螺栓的主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.1 三角鋼架受力性能分析

鋼支撐采用[Φ]609 mm×[δ]16 mm（直徑609 mm、壁厚16 mm），鋼支撐長(zhǎng)度為20 m，總重量為13 440 kg，鋼圍檁采用熱軋雙拼45c（截面尺寸482 mm×700 mm×600 mm），每米質(zhì)量為430 kg，總長(zhǎng)為4 m，總質(zhì)量為1 720 kg，此段鋼圍檁下共設(shè)置5個(gè)三角鋼架。

本工況考慮最不利情況，考慮鋼支撐和鋼圍檁的全部重力作用，將鋼支撐和鋼圍檁的總重力151.1 kN全部施加到5個(gè)三角鋼架上。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，得到了三角鋼架的Miss應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，在鋼支撐重力的作用下，三角鋼架的最大應(yīng)力為56.12 MPa，出現(xiàn)在三角鋼架與膨脹螺栓上部連接處。上述三角鋼架采用Q235鋼板，板厚為15 mm，其抗拉強(qiáng)度f(wàn)=235 MPa。模擬結(jié)果顯示，拉應(yīng)力最大為56.12 MPa，最大變形位移為8.39 mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以判定，本文應(yīng)用的三角鋼架完全滿足鋼支撐架設(shè)的質(zhì)量、變形和強(qiáng)度要求。

2.2 膨脹螺栓受力性能分析

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，得到了三角鋼架的Miss應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可以看出，膨脹螺栓的最大位移為9.71 mm，拉應(yīng)力為55.34 MPa，膨脹螺栓抗拔強(qiáng)度為400 MPa，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以判定，膨脹螺栓完全滿足鋼支撐墜落時(shí)的變形和強(qiáng)度要求，是一種完全可靠的防墜落措施。

3 結(jié)論

本文對(duì)三角鋼架、膨脹螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，在鋼支撐墜落時(shí)，三角鋼架和膨脹螺栓均完全滿足鋼支撐墜落時(shí)的質(zhì)量、變形和強(qiáng)度要求。

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