地下車站裝配式雙H型鋼支撐設計及應用*

王 皓

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 430063, 武漢∥高級工程師)

隨著經濟的快速發展,能源匱乏、氣候變暖等問題也日益突出。建筑業作為我國國民經濟的支柱產業,面臨碳排放較大和能耗較高等問題,是目前我國節能減排的重點領域之一。減少建筑業碳排放,對實現我國節能減排目標具有重大意義。鋼筋混凝土支撐是地下車站深基坑工程中常用的支撐形式之一,具有強度高、整體性好、安全穩定等優點,但也存在施工難度大、不可重復使用、經濟社會效益低等問題?；诖?本文依托無錫至江陰城際軌道交通工程南門站工程,提出了一種適用于地鐵車站的新型裝配式雙H型鋼支撐。根據項目需求針對此種裝配式雙H型鋼支撐進行了截面及節點設計,對此種裝配式雙H型鋼支撐及其連接節點分別進行了軸壓和受彎數值模擬,介紹了該裝配式雙H型鋼支撐在實際工程中的應用,并對其經濟社會效益進行了分析。

1 雙H型鋼支撐截面及節點選型

無錫至江陰城際軌道交通工程南門站為地下二層島式車站,位于虹橋南路與規劃長慶路交叉路口。根據車站結構型式不同,車站可分為端頭井段及標準段:端頭井段基坑深約為19.25 m,寬約為23.80 m;車站主體標準段基坑深約為17.74 m,寬約為19.70 m。根據主體基坑周邊環境、基坑特點、水文地質等因素確定主體基坑圍護結構采用地下連續墻+內支撐的支護形式。第一道支撐通常采用混凝土支撐,用于安全保障和增加安全冗余度,確保在風險來臨時有足夠的安全儲備。其余2道支撐均采用直徑800 mm(厚度20 mm)的鋼支撐。

現設計一種裝配式鋼支撐替代第一道混凝土支撐,并使該裝配式鋼支撐達到和混凝土支撐相當的強度及較為合理的剛度。裝配式鋼支撐由肢件和綴材組成,在同等承載能力下,比實腹式支撐自重更輕;且裝配式支撐繞實軸和虛軸的長細比相較于實腹式支撐更小,穩定性更好,適合作為基坑支撐。H型鋼生產安裝方便,抗彎能力強,但其兩個主軸的慣性矩相差極大,使其不宜單獨作為軸心受力構件[1],因此設計了一種以H型鋼作為肢件、以綴板進行連接的裝配式雙H型鋼支撐。

根據文獻[2]中軸心受壓H型鋼構件毛截面屈服承載力、凈截面斷裂承載力和穩定承載力計算公式的計算結果可知,文獻[3]表1中的HN800 mm×300 mm型號H型鋼能夠滿足實際工程需要,并計算出了雙H型鋼支撐繞實軸和虛軸的穩定承載力分別為11 562 kN和11 520 kN。裝配式雙H型鋼支撐及連接節點如圖1所示。支撐總長度為19.7 m,共分成5段;每段長分別為1.83 m、5.50 m、5.00 m、5.50 m和1.83 m,各分段間隔為10 mm;各分段間通過螺栓連接節點進行連接。腹板處采用48個10.9級M30高強度螺栓與10 mm厚拼接板連接,翼緣處采用64個10.9級M27高強度螺栓與18 mm厚拼接板連接,彎矩傳遞效率可以達到80%,接近剛性節點。裝配式支撐端部采用H型鋼混凝土短梁與冠梁形成剛性連接,如圖1 d)所示。

a) 整節支撐俯視圖

2 雙H型鋼支撐及其拼接節點受力性能研究

2.1 軸壓性能分析

采用大型有限元分析軟件ABAQUS建立雙H型鋼支撐精細化數值模型(見圖2),對軸壓全過程進行數值模擬。裝配式雙H型鋼支撐有448顆螺栓,為了減少模型的單元數量和計算時間,不建立螺栓相關模型。模型各部分均采用8節點六面體線性減縮積分單元(C3D8R)進行網格劃分,單元尺寸為50 mm×50 mm×50 mm(長×寬×高),共有79 324個單元。雙H型鋼支撐右端截面耦合參考點為RP1,對參考點施加z方向位移,同時約束其他方向的自由度;左端截面耦合參考點為RP2,并固定約束。綴板、翼緣拼接板,以及腹板拼接板與型鋼間均為綁定約束。模型所用材料均為Q355鋼材,材料參數按照文獻[2]進行取值:彈性模量為206 000 MPa,屈服強度為355 MPa,抗拉強度為550 MPa。

圖2 雙H型鋼支撐有限元模型網格劃分及邊界條件

對已建立的雙H型鋼支撐有限元模型進行特征值屈曲分析,分別得到第7階支撐繞虛軸彎曲和第11階支撐繞實軸彎曲的兩種屈曲模態,如圖3所示。后續分別取包含有支撐繞虛軸和實軸整體彎曲的模態作為支撐的初始缺陷形狀。初始缺陷幅值參照文獻[2]取值為50 mm。

a) 繞虛軸彎曲

開展考慮幾何和材料非線性的雙非線性有限元分析,分別以支撐繞虛軸彎曲和繞實軸彎曲作為初始缺陷狀態,得出雙H型鋼支撐的荷載-位移關系曲線,如圖4所示。由圖4可知,當以支撐繞虛軸屈曲作為初始缺陷時,在荷載達到17 132 kN以前,荷載-位移曲線近似為一條直線,整體處于彈性階段;在荷載達到18 203 kN后,位移繼續增加,荷載開始下降,表明支撐發生了整體失穩。以支撐繞實軸屈曲作為初始缺陷時,在荷載達到17 456 kN以前,荷載-位移曲線近似為一條直線,表明支撐整體處于彈性狀態;在荷載達到18 731 kN后曲線彎曲,位移繼續增加,荷載緩慢上升。

圖4 雙H型鋼支撐荷載-位移關系曲線

以支撐繞虛軸屈曲作為初始缺陷進行數值分析,提取18 203 kN時支撐整體應力云圖,如圖5 a)所示。由圖5 a)可見,端部腹板和翼緣部分屈服,最大應力為357.7 MPa,略高于鋼材屈服強度。H型鋼支撐側向最大位移為24.9 mm,因此認為H型鋼支撐發生了整體彈塑性失穩和局部失穩。

a) 繞虛軸失穩應力云圖

以H型鋼支撐繞實軸屈曲作為初始缺陷進行數值分析,提取18 731 kN時的整體應力云圖,如圖5 b)所示。由圖5 b)可見,支撐整體應力分布較為均勻,各處翼緣與腹板均存在部分屈服,最大應力為356.7 MPa,略高于鋼材屈服強度。

2.2 連接節點受彎性能分析

將該H型鋼支撐截面尺寸代入文獻[2]中的裝配式雙H型鋼支撐連接節點受彎承載力計算公式,計算得到雙H型鋼支撐節點繞實軸的彎矩承載力為1 750 kNm。

采用大型有限元分析軟件ABAQUS建立雙H型鋼支撐螺栓連接節點精細化數值模型(見圖6),對節點受彎全過程進行數值模擬。模型各部分均采用C3D8R實體單元進行網格劃分,螺栓單元尺寸為8 mm×8 mm×8 mm(長×寬×高),其余部位網格尺寸為20 mm×20 mm×20 mm(長×寬×高),共有72 780個單元。支撐右端截面耦合參考點為RP1,并施加x方向轉角;左端截面耦合參考點為RP2,并固定約束。除綴板與H型鋼間采用綁定約束外,其余部分均建立面面接觸。根據文獻[5-7],螺栓預緊力采用螺栓荷載(bolt-load)進行施加,螺栓與連接件之間采用面面接觸,法向作用設置為硬接觸,切向作用采用庫倫摩擦,摩擦系數設置為0.3,能較好地模擬螺栓的力學性能。模型所用材料與本文2.1節中的一致。

圖6 雙H型鋼支撐有限元模型連接節點網格劃分與 邊界條件

基于建立的有限元模型開展非線性有限元計算分析,得到該節點的彎矩-轉角關系曲線,如圖7所示。由圖7可知,在彎矩達到2 765 kNm以前,曲線近似直線,表明該節點整體處于彈性工作狀態;在彎矩達到2 765 kNm后,曲線彎曲,表明該節點部分區域進入塑性工作狀態;在彎矩達到3 374 kNm時,計算結束。

提取彎矩為2 765 kNm、3 374 kNm時該節點的應力云圖,如圖8所示。在彎矩達到2 765 kNm時,H型鋼支撐上翼緣受壓屈服,最大變形為21.4 mm,腹板應力偏小,最大變形為7.5 mm。翼緣螺栓應力大于腹板螺栓應力,且翼緣螺栓主要承受剪力,最大應力為428.6 MPa。在彎矩達到3 374 kNm時,H型鋼上翼緣屈服區域擴散,上翼緣最大變形為61.9 mm,腹板最大變形為27.8 mm,螺栓仍未屈服,應力最大為501.9 MPa,且翼緣拼接板處螺栓應力大于腹板拼接板處螺栓?？芍摴濣c處螺栓連接強度大于雙肢強度,且屈服彎矩為2 765 kNm。

a) 彎矩為2 765 kNm時應力云圖

3 工程實踐

該裝配式雙H型鋼支撐已成功應用于無錫至江陰城際軌道交通工程南門站工程。如圖9所示,第一道即為裝配式雙H型鋼支撐,強度高、穩定性好、施工迅速、安裝拆卸方便。該支撐具體施工流程為:① 在工廠預制裝配式雙H型鋼支撐;② 將各段支撐運輸至現場,使用高強度螺栓與拼接板對2 m、5 m和6 m長分段支撐進行靈活組合連接,拼接成符合基坑寬度的整節支撐;③ 進行基坑圍護施工,開挖基坑至冠梁底標高;④ 在基坑內架設基坑定位支架,使用龍門吊將連接好的整節支撐吊至預定的位置;⑤ 澆筑冠梁,使裝配式雙H型鋼支撐與冠梁連接成一個整體;⑥ 主體結構完成后拆卸中間節點螺栓,將整節支撐吊運至基坑外,在基坑外逐節拆卸高強度螺栓;⑦ 拆卸完成后將各段支撐轉運至其他工地重復使用。該工程支撐壓力設計值最大為1 805 kN,達到數值模擬屈服荷載的11%,認為該裝配式雙H型鋼支撐可重復使用。

圖9 裝配式雙H型鋼支撐工程應用

4 效益分析

根據裝配式雙H型鋼支撐的承載能力設計相應的鋼筋混凝土支撐,并將裝配式雙H型鋼支撐與鋼筋混凝土支撐進行對比。使用較高強度等級混凝土制成的鋼筋混凝土支撐在破除時會因混凝土強度較大而增加施工難度,因此工程上往往使用C30或C35混凝土制作鋼筋混凝土支撐。使用C30強度等級的混凝土,根據文獻[4]中的計算公式設計相應的鋼筋混凝土支撐,經計算,截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm、配置25根φ12HRB335普通縱向鋼筋的鋼筋混凝土支撐與裝配式雙H型鋼支撐承載力近似相等。

根據2021年11月武漢市鋼材和混凝土市場價格可計算出裝配式雙H型鋼支撐綜合單價約5 000元/m,裝配式雙H型鋼支撐可重復使用,但在工地間轉運使用時會產生一定的運輸和安裝費用,綜合考慮實際工程量和裝配式雙H型鋼支撐的質量后,可以計算出裝配式雙H型支撐使用一次產生800元/m的運輸安裝費用。鋼筋混凝土支撐綜合單價約2 500 元/m。若支撐使用n次,則裝配式雙H型鋼支撐和鋼筋混凝土支撐的經濟成本分別為5 000+800n(元/m)和2 500n(元/m)。經濟成本節約量如圖10所示。裝配式雙H型鋼支撐與鋼筋混凝土支撐的經濟成本比為(5 000+800(n+1))/(2 500(n+1))。

圖10 雙H型鋼支撐與鋼筋混凝土支撐的經濟成本比

目前關于混凝土結構及鋼結構碳排放計算多采用基于LCA(生命周期)統計方法和基于I-O(投入產出)統計方法,其中基于投入產出的統計方法計算簡便,計算方法直觀,而基于生命周期的統計方法統計數據更為全面,包含了開采、運輸等過程的碳排放,結果相對真實,因此本次碳排放計算采用基于生命周期的統計方法。

根據文獻[8]的研究成果可知,每噸混凝土碳排放量為0.14 t;根據文獻[9]的研究成果可知,每噸鋼材碳排放量為2.11 t;根據文獻[10]的研究成果可知,每噸鋼筋的碳排放量為1.87 t。如果支撐使用n次,可以計算出裝配式雙H型鋼支撐和鋼筋混凝土支撐的碳排放量分別為1.14 (t/m)和0.59n(t/m),裝配式雙H型鋼支撐與鋼筋混凝土支撐的碳排放量比例關系為1.14/(0.59(n+1)),繪制成曲線如圖11所示。

圖11 雙H型鋼支撐相比鋼筋混凝土支撐的碳排放量比

因此,在重復使用5次的條件下,裝配式雙H型鋼支撐與鋼筋混凝土支撐相比,可節約35%的經濟成本,同時可以減少68%的碳排放量。

5 結語

提出了一種適用于地鐵車站工程的裝配式雙H型鋼支撐,進行了支撐截面和節點設計,并將此種裝配式雙H型鋼支撐應用于地下車站深基坑工程中。

采用ABAQUS軟件分別建立了裝配式雙H型鋼支撐和支撐拼接節點的有限元模型,并開展了支撐軸壓和節點受彎數值模擬。結果表明:在軸壓作用下,雙H型鋼支撐繞實軸和虛軸的穩定承載力分別為規范計算承載力的1.62倍和1.58倍;在彎矩作用下,雙H型鋼支撐拼接節點屈服彎矩和極限彎矩分別是雙H型鋼支撐彎矩設計值的1.58倍和1.93倍。

在重復使用5次的條件下,裝配式雙H型鋼支撐鋼筋與混凝土支撐相比,可節約35%的經濟成本,同時可以減少68%的碳排放量。