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论地铁结构设计中的若干问题

建材与装饰2008年1月中旬刊

论地铁结构设计中的若干问题

马晓宾

(铁道第三勘察设计院集团有限公司)

1地铁结构设计需要考虑地层环境的变化

随着我国经济的高速发展和地下空间建设理论和技术的不断完善,地铁以其速度快、运载能力大、污染小、充分提高地下空间利用率等优点,在城市交通系统中占有越来越重要的地位。

多年来的建设经验表明,对未来地层环境变化的忽视可能会造成工程失误。对于地铁工程,环境制约因素的评价对规划、选址和结构设计具有重要意义。在进行地铁结构设计时,一般是把结构承受的各种外力乘以相应的分项系数进行荷载组合,然后进行结构计算。分项系数是针对每种荷载的概率分布及荷载效应组合的概率分布而定,并没有考虑到未来地层环境变化的影响。因此,如何在设计阶段就预先考虑到未来可能发生的地层环境的变化并采取适当的防范措施,是一个值得研究的问题。

首先考虑当前地层环境下车站结构的内力,然后考虑3种假想的环境变化:①车站结构下方将有隧道施工;②车站结构邻近将有地面建筑物兴建;③地下水位将上升。

2当前地层中地铁车站的结构内力分析

设车站站台形式为岛式站台,双层三跨矩形框架钢筋混凝土结构,采用明挖顺作法施工,车站顶板覆土厚度为3.2m,计算中不考虑围护结构。

工程地质分层由上至下依次为人工填土层、粉粘土层、细砂

层、圆砾层、粉土层,车站主体处于人工填土层、粉粘土层及细砂层,场址处地下水位埋深为8.8m。岩土的物理力学参数见表1。

取1延米车站结构,按照使用阶段的荷载组合进行结构计算。

(1)永久荷载:结构自重(重度y=25kN/m3),地层压力(静止土

压力水土分算)。

(2)可变荷载:楼板人群荷载(4kPa),地面车辆荷载及其引起的侧向土压力(10kPa),不考虑地震荷载和人防荷载的作用。

3未来地下开挖对地铁车站结构内力的影响

地下结构的修建过程是周围土层不断发生卸载的过程,即周围土层地应力场平衡状态受到扰动后不断重新分布的过程。岩土开挖可能使地层环境发生多种变化,如岩土应力状态的卸载和调整、岩土爆破损伤和振动、岩土临空面位置和形状的改变、地下水的排泄、地表水的聚集等。

假定结构底板为弹性地基梁,应用文克尔(E.Winkler)地基模型。对于弹性地基梁的地基反力与沉降之间的关系,依照假定,地基给予梁的反力p(x)=-Kw。其中,w为该点挠度,K为弹性地基的地基系数,量纲为kN/m3,表示使地基沉陷一个单位深度时所需施加的应力。按照这一假设,弹性地基也就相当于放置在刚性平台上的许多弹簧。

为了研究未来邻近地下开挖对当前结构设计的可能影响,假设车站结构底板下方4m处将会有一条与车站走向正交的、开挖高度为7m的大跨度隧道。隧道的开挖将会使结构底板以下土层的地基基床系数降低,原因是随着隧道的开挖,开挖界面处的岩土不断卸载,即使支护及时,上方土层也会产生松动甚至下沉。设这种地层松动变形可以用减小地层刚度来模拟,试将底板以下土层的K值减少40%,重新对结构进行内力计算。根据计算结果,绘制出结构的内力图(见图1)。

从内力计算结果来看,结构内力的分布形态和原结构相比没有大的改变。顶板的轴力有所减小,弯矩在柱端节点处增大,其余部分减小;中板的内力变化与顶板相似;底板的轴力增大,弯矩增加且变化幅度相对最大;侧墙的轴力减小,弯矩在上部减小下端增大;柱的轴力增大。

图1(a)轴力图分析:水平方向上,底板的轴力增加了大约2.4kN;中板和顶板则分别减少了1kN和1.4kN,

共计2.4kN;减少和增加的轴力之和为0。竖直方向上,中板以下和以上的两边侧墙轴力分别减少了2.2kN和1.8kN;柱上的轴力增加了2.2kN和1.8kN;两部分减少和增加的轴力之和为0。很明显,在拟定环境变化的情况下,结构所受的外力并没有改变,因此水平方向和竖直方向的轴力之和与原结构相同。总体上来讲,各构件的轴力变化幅度不大,一般不超过1%。

图1(b)弯矩图分析:顶板A、D节点处弯矩减少了1.1%,B、C节点处弯矩增加了1.1%,边跨跨中最大弯矩增加了0.1%,中跨跨中最大弯矩减少了1.7%;中板E、H节点处弯矩减少了1.5%,

要:本文将以地铁车站结构为例,

通过结构内力计算,计算分析和讨论3种地层环境变化对结构设计的影响。关键词:地铁结构;结构设计;结构内力

层号开然重度

(kN/m3)粘聚力/kPa

内磨擦

角/(°)静止土压力系数基床系数/(MPa/m)土层厚

度/m119.030270.41375.0220.134290.27505.5320.230370.37405.74

21.0

21

33

0.35

34

6.4

表1岩土的物理力学参数

(a)轴力图(单位:kN)

(b)弯矩图(单位:kN?m)

图1考虑未来地下开挖作用的结构内力图

说明:图中虚线表示当前地层中结构内力受力变化不是关键,影响大的下部开挖引起上部结构的沉降变形,特别是在变形缝处产生错缝将影响轨道运行,因此要进行地层加固,研究地层加固后开挖对变形的影响,如果下部开挖跨度大,还要进行纵向整体受力分析。

路桥、航运与交通?166?

建材与装饰2008年1月中旬刊F、G节点处弯矩增加了1.6%,边跨跨中最大弯矩增加了1.5%,

中跨跨中最大弯矩减少了2%;底板I、L节点处弯矩即结构最大弯矩增加了1.5%,J、K节点处弯矩增加了1.5%,边跨跨中最大弯矩增加了3.2%,中跨跨中最大弯矩增加了2.9%;侧墙的弯矩在上部减小下端增大。各构件的弯矩变化幅度不大。各构件的弯矩变化幅度不大。

当地铁车站下方有隧道开挖时,结构的内力重新调整。底板和柱的轴力增加,增加幅度不超过1%;顶板和中板内侧两节点处及其相邻部分的弯矩有所增加,增加幅度维持在1.6%以内;底板的弯矩增加,增加幅度在3.2%以内。内力的变化幅度普遍偏小。相对来讲,底板各跨跨中的弯矩增加幅度较大。因此,在设计阶段可以重点考察底板受力情况的变化,适当加强底板的强度和抗变形能力。

4未来地面建筑对地铁车站结构内力的影响

由于地铁车站经常处于城市繁华地区,车站结构周围可能会有新建筑物的建设,使地层应力场发生变化。建筑物的基底应力将按某扩散角沿地层传递,有可能对地下结构造成影响。

假设在车站结构左侧5m处将兴建一座基底埋深6m、基底宽20m、

基底长度相对较大的建筑物,设其基底应力为0.2MPa。按建筑物基地应力的扩散对地下结构的影响可分为两种情况:

(1)地下结构在建筑物基底应力扩散范围内,应力扩散对地下结构造成影响;(2)地下结构不在建筑物基底应力扩散范围内,应力扩散对地下结构不造成影响。

经过计算,在拟定情况下本站属于第一种情况。由于车站结构埋深较浅,取扩散角度为45°,建筑物在车站侧墙上所引起的附加竖向和侧向应力分别为:σ1=q1

b0

bn+2b1

和λσ1,

如图2所示。根据计算结果绘制出结构的内力图(见图3),图中虚线为当前地层条件作用下结构内力图。

从内力计算结果来看,结构的轴力图和弯矩图的形状非对称,内力值变化情况比较复杂。

图3(a)轴力图分析:水平方向上,顶板的轴力变化大致呈左增右减的趋势,顶板的轴力在左跨增加了6.9%,中跨减少了2.4%,

右跨减少了13.9%;中板的轴力增大且变化幅度左大于右,左跨轴力增加了18.7%,中跨轴力增加了10.3%,右跨轴力增加

了1.9%;底板的轴力增大且变化幅度左大于右,

左跨轴力增加了13.6%,

中跨轴力增加了10.8%,右跨轴力增加了8.1%;减少和增加的轴力之和等于地下水位上升所引起的外力增加值。竖直方向上,左侧墙的轴力增大,增大幅度不超过2%;右侧墙的轴力减小,减小幅度在1.6%以内;左柱轴力的减小,右柱轴力的增大,幅度均不超过1%;竖向各部分减少和增加的轴力之和为0(结构所受竖向外力没有改变)。可见,各横向构件的轴力变化幅度较大,轴力有向结构左部移动的趋势。

图3(b)弯矩图分析:顶板的弯矩曲线在左半部分上移右半部分下沉,顶板A节点处弯矩变化幅度最大增加了11%,左跨跨中最大弯矩减少了9%,B节点处弯矩增加了1.5%,中跨跨中最大弯矩增加了1.3%,C节点处减少了3.3%,右跨跨中最大弯矩增加了9.5%,D节点处弯矩减小了10.1%;中板的弯矩变化比较复杂,左跨变化幅度最大且呈左增右减的趋势,E节点处弯矩增加了21%,左跨跨中最大弯矩减少了31.6%,F节点处弯矩减少了9.7%,中跨跨中最大弯矩增加了3.2%,G节点处弯矩增加了4.4%,右跨跨中最大弯矩增加了22%,H节点处弯矩增加了

5.4%;底板弯矩曲线在左半部分上移右半部分下沉,

弯矩在右跨增加幅度较大,I节点处弯矩增加了9%,

右跨跨中最大弯矩减少了10.2%,J节点处弯矩减少了5.3%,中跨跨中最大弯矩增加了1.1%,K节点处弯矩增加了5%,右跨跨中最大弯矩减少了10.2%,L节点处弯矩增加了9.1%;左侧墙弯矩增加且变化幅度在中部最大,下侧墙E端弯矩值增加了67%,下侧墙E端弯矩值增加了39.6%;右侧墙的弯矩呈上减下增的趋势,L节点处弯矩值增加了9.1%。

当地铁车站一侧有建筑物兴建时,结构的内力在结构中进行了调整,由于受力情况的非对称,内力变化比较复杂。顶板的左跨、中板和底板的轴力增加,其中,中板和底板的左中两跨的轴力增加幅度在10%以上;左侧墙的轴力增加幅度偏小,在2%左右;右柱轴力的增大幅度不超过1%;顶板的左端弯矩及其右跨跨中最大弯矩增加,幅度在10%左右;中板左跨左端和右跨跨中的弯矩增加了22%;底板的左端和右端的弯矩增加了9%左右。左侧墙的弯矩增加幅度最大达67%,侧墙中部弯矩变化幅度最大。总的来说,内力的变化幅度普遍偏大。在设计阶段应该全面分析受力状况的变化,适当加大顶板、中板和底板的强度,重点调整顶板和受力侧墙的强度和抗变形能力。

5地下水位上升对地铁车站结构内力的影响

地下结构周围地层中的地下水贮存条件与活动状态,影响地层的应力状态和承载力,进而使地铁结构的内力发生变化。

随着地下水位上升,由于静水压力的改变而引起地铁车站结构内力的变化可分为3种情况:

(1)地下水位的上升对结构受力没有影响。发生于地下水位在车站结构以下,水位上升后仍没有达到结构底面的情况下,结构不受浮力作用。

(2)地下水位的上升引起车站结构侧墙的受力增大。发生在地下水位的上升没有越过结构顶板的情况下,结构所受浮力随水位的上升而增大。但由于竖向压力值没有改变,底板受力不变。

(3)

地下水位的上升引起整体结构衬砌的受力增大,

发生于图2

左侧有地面建筑物时地铁车站侧墙附加应力计算简图

(a)轴力图(单位:kN)

(b)弯矩图(单位:kN?m)

图3左侧有建筑物时结构内力图

路桥、航运与交通

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建材与装饰2008年1月中旬刊

地下水位的上升并超过结构顶板的情况下。当水位上升到顶板以上后,由于顶板和底板的压强差不变,结构所受浮力不变。

假设地下水位上升了5m。对于本车站结构,水位上升所引起的内力变化属于上面所谈到的第二种情况。

从内力计算结果来看,结构构件的轴力值和弯矩值普遍有增大的趋势。顶板的轴力增大,弯矩在两端增大中部减小;中板和底板的内力变化与顶板相似;侧墙的轴力和弯矩增大;柱的轴力略有减小。

当地下水位上升时,顶板、中板、和底板的轴力增加幅度较大均在10%以上,其中,中板的轴力增加幅度最大,为68.3%;侧墙的轴力增加幅度偏小,在1%左右;各板两端节点处及其相邻部分的弯矩增加幅度在5%以上,底板两端节点处弯矩增加幅度最大,为13%;侧墙的弯矩增加幅度最大处高达127%,侧墙中部弯矩变化幅度最大。内力的变化幅度普遍偏大。在设计阶段应该

对结构进行整体考察,适当加强顶板和底板,重点加强中板和侧墙,以保证结构安全。

类似的算例结果表明,随着水位上升,顶板和底板弯矩的增加幅度较之中板要大。当水位完全没过顶板时,由于横向和竖向

外力都增大,侧墙和两柱的轴力都会有所增加,全部结构构件的弯矩也普遍提高。中板相对独立、变形较小且受力恒定,所以地下水位对中板的弯矩和剪应力的变化影响不明显。

6总结

根据按例分析可见,所受外力改变的结构部分(即环境变化所影响的部分)内力变化幅度相对较大。环境的变化对其影响较大,设计时应该考虑调整结构构件的强度。内力变化增加幅度在50%以上的构件,

环境的变化对其影响很大,设计时应该重点考察结构构件的承载力。

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浅谈桥梁工程下部结构混凝土施工质量控制

胡志国

(广州市市政工程监理有限公司)

混凝土外观质量指标包括:混凝土结构的轴线、标高和尺寸是否准确;阴阳角是否顺直;垂直度、平整度是否符合要求;施工缝、接槎处是否严密;表面是否密实,有无裂缝、蜂窝、孔洞、露筋、麻面、泌水、起沙、脱皮、龟裂等缺陷;外表色泽是否清晰、统一和顺畅。

1模板选择与施工

模板体系的选择直接决定混凝土的外观效果。选择模板时应综合考虑其强度、刚度、可周转性及经济性等要素。对于多跨简支或连续梁桥工程,其混凝土结构构件尺寸一般比较单一,多采用定型组合钢面板模板。在施工前,经过对加肋复合面板和定型组合钢面板两种模板的技术经济比较和工程实验证明,采用定型组合钢面板作为桥梁工程下部结构混凝土施工模板,周转

次数多,刚度好,浇灌后混凝土表面光滑外观好。模板体系选定后,根据荷载的大小对板材的厚度、背肋截面和间距、拉杆型号和间距、及支撑体系进行计算。计算荷载包括混凝土压力(侧压力)、混凝土浇筑的冲击力和施工荷载。在计算时,针对主要受力构件进行力学计算,并验算构件的挠度和变形。对次要构件则可按经验设计,必要时进行验算。上述混凝土结构采用的定型组合钢模板的面板厚约4 ̄6mm,

加钢肋间距20 ̄30cm。每次安装模板时,拼缝用玻璃胶或密封条涂贴严密。桥梁工程的模板定位控制方法:标高用水准仪、边线用经纬仪、垂直度用激光铅直仪控制。垂直度也可用吊线坠法控制,在进行下一工序前用经纬仪外控法校核。桥梁工程结构的钢筋保护层控制,宜采用塑料垫块,

不宜采用水泥砂浆垫块,否则在清水混凝土面会留下形似伤疤的外观缺陷。对于墩柱,也可不使用保护层垫块,但应采取措施:先制作钢筋笼,其加劲箍间距不大于2m。在钢筋笼侧面焊接定位筋(!16钢筋)

,准确安装钢筋笼并校核垂直度,再安装模板并再次校核垂直度后,才能浇灌混凝土;浇灌混凝土时,每隔一定高度,用吊线坠法观察控制钢筋与模板相对位置,确保保护层厚度准确。钢模板在初次使用前,或长时间放置后重新使用前,必须先除锈并涂刷油性脱模剂。除锈根据模板的锈蚀程度,选用砂纸或砂轮机,阴角部位采用铁刷除锈。在模板的周转过程中,每次拆模后应清理干净(接缝和外角部位用铁刷清理),并尽快涂刷脱模剂。油性脱模剂涂刷不可太厚,少沾多刷,以免流坠。如采用水性脱模剂,应与油性脱模剂交替使用,避免长时间使用水性脱膜剂而造成钢模板锈蚀。

2混凝土配合比

施工前,应做原材料的送检和混凝土的试配工作。混凝土试配,同时做7d和28d的抗压试件。混凝土配合比应根据构件尺

寸、钢筋密集程度、混凝土输送方法和输送距离等因素选用混凝土塌落度。桥梁工程下部结构,浇灌若使用混凝土搅拌运输车则塌落度宜为5 ̄7cm;

若使用混凝土输送泵,输送距离在100m以内、高度在20m内,则塌落度宜为9 ̄10cm;输送距离100 ̄200m、高度在30m内,则塌落度宜为11 ̄13cm。不同塌落度和水灰比的混凝土成型后,其表面气泡数量和大小不同,颜色也有差异。塌落度或水灰比较小的混凝土料,成型后表面气泡少而大,色泽较

摘要:本文结合桥梁工程实际施工经验,

对桥梁工程下部结构混凝土施工的质量控制要素进行了归纳、总结及阐述。关键词:桥梁工程;

混凝土;质量;控制路桥、航运与交通?168?

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