地下空間結構U型組合梁轉換設計關鍵技術

陳海斌，陳 偉

(廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

1 工程概況

隨著城市化進程的不斷推進，人口急劇膨脹，許多城市都出現中心區土地資源稀缺、生存空間擁擠、交通阻塞及環境惡化等一系列問題。當城市發展遇到瓶頸的時候，立體空間的開發就變得尤為重要，充分利用地面、高空和地下的空間，可以增大城市容量，合理開發潛在空間資源，提高交通效率，改善城市環境，加上地下交通的大力發展以及地下建筑功能的多樣化特征，因此地下空間的建設已成為當今城市發展及建設的重點，現代地下建筑結構研究與應用越來越被人們重視。

萬博中央商務區位于番禺區北部，地下空間工程分地下商業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層次。漢溪大道主干道、萬博二路、海順路次干道及萬惠一路、萬惠二路、萬博一路、匯智三路支路，沿線橋梁為地面道路系統。萬惠路及萬博一路負一層隧道以及地下環路系統(含主環路、循環通道及出入口隧道)組成的地下道路系統。

地下空間三層建筑結構的典型橫斷面，負一、二、三層分別為車行隧道、商場和主環路車行隧道，負三層主環路隧道頂板跨度為24.863 m，采用U型組合梁進行轉換。

U型組合梁為首次應用在地下空間結構作為轉換梁的構件，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，底板和腹板設置加勁肋，腹板翼緣設置剪力釘與混凝土結構銜接。U型鋼箱梁在距離兩端5.25 m的范圍設置倒U型鋼梁，增加U型鋼梁在端部的抗剪能力并抵抗負彎矩，倒U型鋼梁頂板厚度30 mm，腹板厚度20 mm，頂板預留混凝土灌注孔。U型梁空腔內灌注C40混凝土，提高其作為轉換梁的剛度，減少因轉換梁下撓導致負一、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，計算時取4.5 m的縱向寬度進行地下空間結構斷面的建模。有限元模型選用實體單元進行模擬，不考慮結構的普通鋼筋，采用自動實體網格四面體劃分結構單元，對于混凝土結構和鋼結構實體采用不同的網格尺寸，滿足不同的精度要求。計算模型總單元數和總節點數分別為242 049和48 826。主要施工階段包括。

(1)施工負三層隧道，安裝U型組合梁；

(2)灌注U型組合梁混凝土；

(3)施工負二層隧道；

(4)施工負一層隧道。

本構關系。

(1)鋼材本構關系為等向強化二折線模型，其中強化段E'=0.01E，采用Mises屈服準則。

圖1 常數模型

(2)混凝土本構關系為彌散式總應變裂縫模型，彌散式總應變裂縫模型受拉函數選擇圖1的constant函數，受壓函數選擇圖2的Thorenfeldt函數。在分析控制中選擇修正Newton-Raphson方法作為迭代法類型。這種本構關系將混凝土作為各項異性的材料進行處理，受拉區混凝土應力值達到開裂應力時，混凝土垂直于拉應力方向將生成裂縫，在程序中通過修改材料本構模型來考慮裂縫對結構剛度和應力的影響。

圖2 Thorenfeldt模型

2.2 分析結果

本文給出了各個施工階段U型組合梁沿梁軸向的應力，可以看出。

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

(2)主環路負三層隧道側墻在U型組合梁錨固端的位置出現開裂現象，可以通過增加此處的鋼筋配置來確保此處的裂縫寬度控制在允許的范圍內。

3 結束語

本文結合有限元分析軟件Midas FEA對萬博地下空間U型組合梁大跨度轉換結構進行建模，并對其受力性能進行分析，主要得到以下結論。

(1)U型組合梁適用于大跨度、 大荷載的隧道頂板設計，如頂板上托一到二層公用建筑物(商場、設備機房等)的情況下，U型組合梁的跨度可達到30～35 m，但在U型組合梁上托柱容易出現局部應力集中情況，可采用型鋼加強等措施來解決。

(2)U型組合梁鋼結構的應力水平較低，混凝土壓應力也在允許的范圍內，受力合理。

(3)U型組合梁存在眾多鋼格室，施工過程中應保證鋼格室內部混凝土振搗密實，在U型組合梁頂板開設了注漿孔，在混凝土注漿開孔處，截面被削弱鋼板應力水平會增大，導致減弱了其傳力能力，在設計過程中需合理設置注漿孔的位置、數量等。

(4)隧道頂板U型組合梁存在以下優點。

①傳力路線明確，上層的柱將作用力傳到U型梁，再從U型組合梁傳到兩側墻，樓板起到導荷載作用并不是主受力構件，這樣傳力路線更明確。

②U型組合梁設計可避免厚板計算中板上立柱的問題，不會形成柱對樓板沖切的薄弱區。

③U型組合梁施工方便，正交異性板可作為施工模板，節省施工時間。