5地下结构Y型柱半刚性连接性能分析北京市政设计院陈鹤重点讲义汇总

1、地下结构Y型柱半刚性连接性能分析北京市市政工程设计研究总院有限公司 陈鹤 薛茹镜 耿耘 【摘要】Y型柱具有增大跨度，提高建筑美感的作用，在荷载较大的地下结构中，大跨度和大净空的结构形式使Y型柱承受更大的荷载。文章依托新华大街站土建工程，采用数值模拟结合工程实际量测结果，对Y型柱上部分叉部分和顶板的半刚性连接性质进行对比分析，为工程设计中同类问题提供计算依据。【关键词】Y型柱；地下结构；半刚性连接；A study for semi- rigid connection of Y-shaped columns used in underground structureBeijing General

2、Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Chen he, Xue ru jing, Geng yun Abstract: Using Y-shaped columns in design could increase the special span and enhance the beauty of architecture. However, as loads applied to the underground structure are large, the Y-shaped columns us

3、ed for such structures with the large span and headroom have to bear larger loads than normal. Taking Xinhua Street Station as an example, by combining numerical modeling with actually measured data, this article analyzed the mechanical characteristics of the semi-rigid connection between the upper

4、fork structure and the roof, and provided a calculation basis for similar projects in future.Keywords: Y-shaped columns, Underground structure, Semi-rigid connection1. 引言在地下车站的建设过程中人们越来越认识到传统站厅站台分层设置的地下车站方向感差，内部空间局促，空间的通透性较差的缺点。采用民用建筑中广泛使用的中庭空间能够使空间具有流动性，使广大市民能够有较好的出行环境。为了使地铁车站形成中庭效果，多采用中板开洞的方式，并且在两

5、站台中部设置Y型柱，最大限度的增加柱距，形成空间整体的通透感。2. 工程概况新华大街站公共区结构采用型柱受力体系，局部中板打开，在站台形成“中庭”效果，在国内地铁站还是首次实现。为达到Y型柱与整体车站效果协调，Y型柱上部采用渐变截面宽度仅为560mm，向下截面逐步扩大。而车站为两个12m岛式站台，每个岛式站台上设置一根型柱，Y型柱底部最大跨度达到20m，顶部跨度最大达到11.7m，小截面与大受力形成了一对矛盾，采用常规钢筋混凝土柱已经不能满足受力要求。经过比选多种材料，最终设计采用铸钢来制作上部及分叉处节点。同时为达到相应的建筑效果，车站站厅层加高，故在中庭处侧墙净高达到了16.3m，在以承受

6、竖向及水平向水土压力的地下结构中实属罕见。2.1 Y型柱Y形柱作为主要承重和抗侧力构件,承担了较大的竖向与水平荷载,所以其稳定性决定了屋盖结构的整体承载能力,是工程设计中关注的重点。新华大街车站主体结构Y型钢柱分两部分；上部分为Y型铸钢件，下部分为D1200mm圆管柱。钢管及铸钢件内部采用C50微膨胀自密实混凝土填充。上部Y型铸钢根据运输情况及加工情况分为三节，铸钢、钢管之间的连接采用全焊透的对接焊缝，焊缝质量均为一级，连接钢管柱与梁节点处的抗剪牛腿、加强环板及环形盖板等焊缝质量等级均为二级。钢管柱的耐火等级为一级，其耐火极限为3小时，永久防腐涂层底层采用环氧富锌底涂料，中间层采用环氧云铁涂料

7、，面层采用环氧沥青、聚氨酯沥青等面料涂料。2.2 地质条件根据地质勘察报告，本段线路土层分布较为稳定，自上而下分别为人工堆积层（Qml）、第四纪新近沉积层(Q42+3al+pl)、第四纪全新世冲洪积层（Q41al+pl）、第四纪晚更新世冲洪积层（Q3al+pl），见表1及图1。表1 地层物理力学性质参数土层编号土层名称土层厚度（m）容重(kN/m3)C(kPa)(°)K0基床系数(MPa/m)水平垂直房渣土2-820.008粉土3.519.914320.4320201粉质粘土2.019.525170.472024粉土0.619.914320.4320203粉细砂1.020.20320

8、.394030粘土0.418.834130.503530细中砂7.120.20340.374030粉质粘土1.819.431180.4040302粉土0.919.511320.435031粉质粘土1.219.431180.404030细中砂12-720.20330.354540图1 车站地质纵剖面 图2 采用Y型钢管柱的地铁车站效果图3. Y型柱内力分析3.1 计算原则图2为主体结构断面。主体结构计算按照平面应变假设，采用荷载结构模型，通过MIDAS/CIVIL结构分析通用程序进行内力分析。本站结构所处土层主要为砂石地层，采用水土分算的原则确定水位以下侧墙水土压力。使用阶段考虑水土压力全部由主

9、体结构承担。图3 地铁车站主体结构断面图计算简图如下：车站主体结构的计算简图如图4所示。图4 正常使用阶段荷载计算图3.2 Y型柱简析Y型柱顶部采用铸钢构件，下部采用钢管混凝土铸件，而周边结构采用钢筋混凝土构件。三种不同的构件类型相互连接是结构设计的关键，同时上部分叉采用铸钢制造，铸钢的构造措施也是整个设计的难点。图5为典型Y型柱结构构造图。图5 Y型柱结构构造图3.3 基本计算假设Y型柱分叉节点部位与上部两分叉均为铸钢材料，采用全熔透一级对接焊缝连接，为保证连接质量，借鉴钢管混凝土柱做法，连接点内部设置钢筋笼，同时浇筑混凝土，钢筋混凝土结构与外侧钢管体系形成联合抗弯体系，此节点部位可视为完全

10、刚性连接。钢管混凝土柱嵌入底梁深度较大，且在柱脚锚栓在翼缘外侧，可以起到抵抗弯矩的作用，也可视为刚性连接。Y型柱分叉与水平方向呈35°角斜交，同时型柱分叉为与顶板有效连接需深入混凝土顶板内部，设计采用在顶板下部设置钢牛腿的方式确保传递竖向荷载,而顶板连接处钢管柱嵌入深度较浅，且没有足够的锚固措施，因此顶板连接可视为半刚性连接。3.4 Y型柱内力计算及分析根据平面应变假设，Y型柱柱距9m，将其抗弯模量和面积折减到每延米建立模型。模型如图6所示。图2 平面应变计算模型为研究连接刚度对计算结果的影响，Y型柱分叉与顶板的连接刚度使用调整释放梁端约束的方式实现，按照弯矩释放系数共分为0%、20

11、%、40%、60%、80%、100%六个等级进行数值计算，其中0%代表完全释放弯矩，即为铰接，100%代表不释放弯矩，为刚性连接。计算结果如图70%20%40%60%80%100%图3 不同弯矩释放系数下Y型柱内力图由于采用平面应变计算模型，柱弯矩平均到每延米上，其实际弯矩应根据实际柱距调整，调整后结果如表2所示：表2 不同连接条件下弯矩统计表0%20%40%60%80%100%边跨顶板处连接162162225252279288中跨顶板处连接153504729855936990钢铸节点与边跨分叉连接122414041485153015571584钢铸节点与下端柱连接18632052213321

12、8722142232Y型柱分叉平均弯矩158333477554608639图4 不同连接条件下弯矩统计从数值实验结果上可以看出，中跨顶板连接处弯矩对Y型柱分叉与顶板的连接刚度敏感度较大，其弯矩最大值和最小值相差6倍左右。3.5 地震作用下Y型柱内力计算及分析拟建场地位于抗震设防烈度8度区内，地震动峰值加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.20g。建筑场地类别为类。抗震计算采用反应位移法，计算得出不同深度下地层水平位移如表4：表4 土层水平位移随深度变换表z(m)ux(mm)z(m)ux(mm)z(m)ux(mm)3.522.12610.91712.30918.3

13、333.284.98320.12512.410.42419.8171.6126.46718.13713.8838.57521.307.9516.1715.3676.7649.43314.22616.854.998根据规范城市轨道交通工程设计规范（DB11/995-2013）11.3.2规定,采用极限状态法进行结构设计及检算地震工况下结构各构件截面强度时，其荷载组合分项系数如下：永久荷载 1.4；可变荷载 0.6；地震荷载 1.3。计算简图如图9：图5 地震工况计算简图计算结果如图10图6 地震工况下结构弯矩图同3.4节中调整弯矩数值的方法，各种连接刚度条件下的计算结果如表5：表5 地震工况下不

14、同连接条件下弯矩统计表0%20%40%60%80%100%Y型柱顶板连接处最大弯矩106257368430469496钢铸节点上端最大弯矩701738773792804813钢铸节点下端最大弯矩135014491491151415281539从数值实验结果上可以看出，Y型柱顶板连接处最大弯矩对Y型柱分叉与顶板的连接刚度敏感度较大，与3.4节中取得结论一致。3.6 Y型柱节点受力有限元分析根据铸钢节点应用技术规程（CECS 235:2008）对Y型铸钢节点进行有限元分析，Y型铸钢节点如图11所示。图7 Y型铸钢节点装配图该节点由三部分铸钢件连接而成，如图12所示图8 Y型铸钢节点部件图车站结构采

15、用ANSYS有限元程序进行分析计算，Y型铸钢柱采用SOLID92单元，其余实体采用SOLID45单元。建立单榀有限元模型时，考虑到对称性，只建立一半模型，以减小计算工作量。侧墙仅受压弹性支座，刚度33.4MPa，底板仅受压弹性支座，刚度30MPa，用相同刚度土体代替，土体与车站结构之间建立接触对。图13为模型单元网格图。计算分析时，根据上节计算判断，无水工况更为不利，因而只进行无水工况计算。计算时对钢铸节点考虑两种情况：（1）Y型铸钢柱内部不考虑混凝土作用；（2）Y型铸钢柱下柱内部考虑1m高混凝土作用。 图9 模型单元划分 （1）Y型铸钢柱内部不考虑混凝土作用Y型铸钢柱Mises应力分布如图1

16、4、图15所示。最大应力出现在铸钢柱下端，此处铸钢壁厚为55mm，应力为220MPa。由于此处第三主应力为压（见图13），根据铸钢节点应用技术规程（CECS 235:2008）第2.2.4条规定，可取 。，故此处应力满足安全要求。Y型其余区域应力均小于235MPa，因而Y型铸钢柱处于弹性受力状态。图10 Y型铸钢柱MISES应力分布图（Pa）图11 Y型铸钢柱第三主应力分布图（Pa）（2）Y型铸钢柱内部考虑混凝土作用图16和图17为Y型铸钢柱Mises应力分布图。最大应力出现在Y型铸钢柱下柱内部加劲肋端部，最大应力为204MPa。由于考虑混凝土的作用，Y型铸钢柱下柱下端（对应的壁厚为55mm）

17、应力在150MPa以内。Y型其余区域应力均小于235MPa，因而Y型铸钢柱处于弹性受力状态。图12 Y型铸钢柱Mises应力分布图一（Pa）图13 Y型铸钢柱Mises应力分布图二（Pa）根据以上两种计算结果可以看出，Y型柱钢铸节点在正常使用条件下处于弹性状态，未出现受力屈服的情况。4. 钢管柱的监测与分析Y型柱以三维坐标进行测量控制。吊装前，在Y型柱上部连系梁两端，各焊接一个与徕卡全站仪配套的棱镜，棱镜方向对准全站仪。测点布置见图18。图14 位移监测工作点吊装过程中，首先以标注于Y型柱外壁的轴线为基准，上、下两节Y型柱管壁的轴线对齐，然后用全站仪测量Y型柱上的棱镜，实测坐标与理论坐标比较，

18、分别以X、Y、Z三维坐标增量判定“Y”型柱在横向、纵向、竖向的偏移量。用千斤顶调整Y型柱在三维方向的偏移量，复测合格后，将钢管焊接固定。表6 测量主要技术指标及要求序号项目限差1监测点与相邻基准点高差中误差0.5毫米2每站高差中误差0.3毫米3往返较差及环线闭合差±0.6毫米（n为测站数）4视线长度50米5前后视的距离较差1.0米6任一测站前后视距差累计2米根据测量的X、Y、Z结果，换算得到Y型柱上部分的最终挠度为1.68mm，柱长取6.5m。根据梁受弯变形的几何关系（轴向和切向变形远小于挠度，可忽略不计），L表示梁长度，f表示挠度，R表示曲率半径，如图19所示：图15 梁受弯变形几何关系其几何变形：故梁受弯曲率半径根据材料弯矩与弯曲半径关系对于钢管混凝土外部钢管考虑钢管与混凝土的相互作用，根据钢管混凝土结构技术规程（CECS 28:2012）6.5.2条规定，当选用C50混凝土时，钢管与管内混凝土的粘接强度，通常情况下，钢管与混凝土的粘接长度只计入二倍直径的长度，粘接强度产生的弯矩为当钢管混凝土内径取700mm时钢管混凝土柱总弯矩计算中将钢管混凝土结构假定纯弯构件，其计算曲率半径为平均值，使用表2中钢管混凝土柱平均弯矩与计算得钢管混凝土柱总弯矩对比，认为接处取30%40%的刚度比较符合实际情况5. 结论1）由3.6节对Y型柱铸钢节点在正常使用情