大型地鐵車站臨時異形板受力分析研究

丁加亮 丁慧文 曹 敏 馮白喜 潘建平 張瑞琳 滕 偉 黃 鋒

（1、中鐵隧道局三處有限公司，廣東 深圳 512205 2、重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400047）

1 概述

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快和經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，城市公共交通壓力與日俱增，而地鐵作為大運(yùn)量的交通運(yùn)輸工具在緩解城市交通擁堵方面起著至關(guān)重要的作用。在此過程中，常常會采用異形板的方式作為臨時的運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，曹寶剛[1]采用空間有限元法分析異形板橋在荷載作用下的力學(xué)特征，其計算要點、計算結(jié)果以及配筋原則等可為該類型橋梁的設(shè)計和施工提供一定的參考依據(jù)；李文治等[2]通過建立實體仿真模型，對珠江路立交拼寬項目中一處鋼筋混凝土板梁異形端部進(jìn)行了受力特征分析，并且對其鋼筋的合理布置形式進(jìn)行了初步探討，以期優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計；陳偉等[3]通過數(shù)據(jù)的對比分析，得出了此類異型板橋梁在公路橋梁設(shè)計荷載下的空間受力性能及動力特性規(guī)律，根據(jù)眾多學(xué)者對結(jié)構(gòu)異形板的運(yùn)用與分析[4-6]，說明異形板在實際施工中應(yīng)用的比較廣泛，但當(dāng)異形板運(yùn)用于大型地鐵車站改造中，并作為臨時運(yùn)輸通道相對較少。

因此，本文將依托深圳市黃木崗七號線改造工程，對其臨時采用的異形板進(jìn)行受力分析，對相關(guān)的類似工程對異形板的運(yùn)用技術(shù)具有重要的意義。

2 工程背景

黃木崗交通樞紐位于福田中心區(qū)東北部，筍崗西路、泥崗西路、華富路、華強(qiáng)北路五叉路口，為既有7 號線、在建14 號線以及規(guī)劃24 號線三線地鐵換乘樞紐。既有7號線沿華強(qiáng)北路和泥崗西路地下敷設(shè)，為地下三層疊側(cè)車站；在建14 號線沿華富路和泥崗西路地下敷設(shè)，為地下三層疊側(cè)車站，與既有7 號線同臺換乘；規(guī)劃24 號線沿筍崗西路地下敷設(shè)，為地下四層車站，與7、14 號線形成節(jié)點換乘，如圖1 所示。

3 混凝土異形板配筋驗算

案例分析：

深圳黃木崗地鐵車站改造工程中將側(cè)墻進(jìn)行改造拆除，切除混凝土塊將采用吊車從出渣口吊裝出。由于吊裝設(shè)備將通過出渣口，為保障設(shè)備安全通過，將對出渣口部分區(qū)域進(jìn)行臨時封閉，如圖2 所示。履帶吊裝設(shè)備吊裝作業(yè)時總重量為450t，行走區(qū)域兩側(cè)鋪裝路基箱，單塊路基箱寬為6m，長度為2.4m。封閉區(qū)域混凝土板為梯形板，混凝土等級為C35，縱筋級別采用HRB400 鋼筋，保護(hù)層厚度30mm，板厚800mm。

圖2 臨時異形板位置圖

由于履帶吊裝設(shè)備行駛在路基箱之上，路基箱完全覆蓋在出渣口封閉區(qū)域，可視為在封閉區(qū)域施加了均布恒荷載。計算根據(jù)最不利情況，吊裝設(shè)備全部作用在封堵板上，其荷載如表1 所示。

表1 荷載分項系數(shù)

采用有限元軟件進(jìn)行分析，計算其設(shè)計內(nèi)力（1.2 恒載+1.4 活載）Mx，My，以及Mmax，結(jié)果如圖3 所示。其中Mx中最大設(shè)計彎矩為164.702kN·m，My中最大設(shè)計彎矩為123.357kN·m 如表2 所示。根據(jù)最大彎矩151.303kN·m進(jìn)行配筋計算，配筋采用的最大配筋1600mm2。項目本身采用15@32+15@32 雙層配筋，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計需要。

表2 最大彎矩值

圖3 異形板彎矩云圖

4 不同板形的受力分析

黃木崗項目布設(shè)異形板的尺寸是便于履帶吊裝設(shè)備能恰好有效通過出渣口，其異形板尺寸形狀是填充行走區(qū)域。由于異形板的形狀改變，其應(yīng)力分布情況變化復(fù)雜。為了探索異形板的承載能力和形狀的關(guān)系，基于黃木崗工程，通過改變異形板的形狀大小，分析異形板內(nèi)彎矩的變化情況。

4.1 保障吊裝車能安全通過的前提，在荷載不變的情況下，通過增大異形板面積，將梯形短邊（1.75m）按2m的步數(shù)逐步增大，直至和長邊（7.7m）長度相同。

通過有限元分析，可得異形板的最大彎矩、彎矩點、撓度、裂縫最大值變化情況，如表3 所示。

表3 不同異形板結(jié)構(gòu)的彎矩表

通過分析圖4 和表3 的數(shù)據(jù)可得知隨著短邊增大，異形板面積增加，并且逐漸擴(kuò)大至規(guī)則矩形板，Mx 和My都在增大，且My的增幅更大，為55.9%；最大Mx點往右下方偏移，最大My點往左上方偏移，且邊界彎矩變小，內(nèi)部彎矩越顯集中。最后異形板的撓度沒有變化，最大裂縫值略微減少。

圖4 不同板型的彎矩云圖

4.2 研究同等荷載下，異形板、矩形板、正方形板的內(nèi)部受力情況。其結(jié)果如表4。通過圖5 和表4 可知，在同等面積、同等荷載條件下的板受力時的最大彎矩，隨著x 的增加使得My偏大，y 的增加使得Mx偏大。并且板形狀越規(guī)則，長短邊差距越小，彎矩越集中；反之則越分散。

表4 不同異形板內(nèi)部受力

圖5 不同異形板彎矩云圖

5 結(jié)論

通過對異形板的受力分析，結(jié)合實際的工程運(yùn)用，得出以下結(jié)論：

5.1 異形板長短邊之比越大，其彎矩相對分散，大部分區(qū)域的彎矩值較為接近，狹窄區(qū)域的邊界彎矩值接近最大彎矩，且容易產(chǎn)生裂縫，裂縫也普遍偏大。因此實際施工施作異形板時要加強(qiáng)對狹窄區(qū)域的加固和拼接措施。

5.2 在相同荷載條件下的梁板受力，越規(guī)則，長短邊比越接近于1 的板彎矩越集中，四周彎矩較小，利于加固。其產(chǎn)生的裂縫越小。所以施作板時，其形狀越規(guī)則越利于安裝。

綜上，在要設(shè)置臨時梁板時，可考慮設(shè)置異形板，但要加強(qiáng)其狹窄區(qū)域和邊界的連接，但不能長期使用，易產(chǎn)生較大裂縫。