曹文欣, 趙 文, 路 博, 賈鵬蛟
(1. 東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819; 2. 蘇州大學(xué) 軌道交通學(xué)院, 江蘇 蘇州 215131)
在“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略的驅(qū)動下,我國軌道交通得到快速發(fā)展.截至2020年,我國已有44座城市開通地鐵,總里程數(shù)超過6 500 km.而地鐵路網(wǎng)的不斷完善,難免會出現(xiàn)新老地鐵線路的交叉和地鐵換乘站建設(shè)等施工難題.以洞樁法為代表的傳統(tǒng)淺埋暗挖法在地質(zhì)情況較為復(fù)雜的區(qū)段施工時難以滿足施工安全的要求,而管幕法以安全性高、能有效控制地表沉降等優(yōu)點(diǎn)而逐漸被應(yīng)用到城市地鐵工程的建設(shè)當(dāng)中[1-2].
管幕工法是利用頂管機(jī)將鋼管頂入土中,再將鋼管橫向連接形成整體,然后在管幕結(jié)構(gòu)支護(hù)下進(jìn)行地下空間施工的一種方法.1962年日本在東海道新干線第一熱海隧道工程施工中使用了管幕工法,在1971—1980年間日本采用管幕工法施工的工程就有6項(xiàng),管幕工法在日本得到了較多的應(yīng)用[3-4],隨后管幕工法在日本、新加坡、美國得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[5-10],20世紀(jì)80年代中期中國香港首次應(yīng)用管幕工法,進(jìn)入21世紀(jì)后,管幕工法逐漸被運(yùn)用于北京、上海和沈陽等城市的地鐵車站及地下通道工程中.然而傳統(tǒng)管幕結(jié)構(gòu)的管間通過鎖口連接,使得鋼管連接部位較為薄弱,需要邊開挖邊支撐以確保安全,不利于我國軌道交通的快速發(fā)展[11].針對上述問題,趙文及其研究團(tuán)隊(duì)提出了STS(steel tube slab)新型管幕支護(hù)體系,它在相鄰鋼管間采用高強(qiáng)螺栓并焊接下翼緣板以提高支護(hù)體系的抗彎承載力和剛度,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)管幕結(jié)構(gòu)的不足.
Xiao等[12]在考慮管土相互作用和混凝土彈性模量的基礎(chǔ)上分析管幕的整體受力模式,研究了管幕在施工過程中的力學(xué)機(jī)制;趙文等[13]通過室內(nèi)試驗(yàn)對STS管幕構(gòu)件的橫向抗彎性能進(jìn)行研究,并得出了翼緣板焊接、鋼管間距、混凝土強(qiáng)度等級和翼緣板厚度等參數(shù)的變化對STS管幕構(gòu)件抗彎性能的影響規(guī)律;關(guān)永平等[14]基于6榀STS管幕簡支梁的對稱集中荷載抗彎試驗(yàn),分析了混凝土強(qiáng)度、鋼管間距及管間橫向連接形式對承載力的影響規(guī)律,并通過數(shù)值計(jì)算給出了翼緣板厚度及鋼管壁厚比的合理取值范圍;賈鵬蛟等[15]基于室內(nèi)試驗(yàn),利用數(shù)值模擬的方法深入研究鋼管厚度、螺栓直徑、配筋率、翼緣板間距等連接參數(shù)對STS管幕構(gòu)件橫向力學(xué)性能的影響,其中翼緣板間距的調(diào)整對試件的極限承載力和橫向剛度具有顯著的影響;Jia等[16-18]結(jié)合沈陽地鐵十號線東北大馬路站工程監(jiān)測數(shù)據(jù),提出STS管幕結(jié)構(gòu)作為永久性支撐系統(tǒng)能夠有效控制和減少地表沉降,通過室內(nèi)試驗(yàn)研究STS管幕結(jié)構(gòu)的破壞過程和裂紋發(fā)展規(guī)律,并得到了STS管幕結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線,結(jié)果表明下翼緣板焊接能夠顯著提高STS管幕結(jié)構(gòu)的抗彎能力.此外,一些學(xué)者在管幕結(jié)構(gòu)的連接形式上開展了進(jìn)一步的研究.Zhang等[19]提出了槽鋼連接的管幕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,并通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)和數(shù)值模擬,得到了槽鋼連接的管幕結(jié)構(gòu)破壞模式,而后分析了該結(jié)構(gòu)的橫向抗彎承載力和橫向抗彎剛度;趙文等[20]提出了咬合型管幕結(jié)構(gòu),并分析了咬合程度、鋼管壁厚及上側(cè)焊接長度等參數(shù)對咬合型管幕結(jié)構(gòu)的橫向抗彎剛度性能的影響規(guī)律.綜上所述,目前對STS管幕結(jié)構(gòu)的橫向抗彎承載力、橫向剛度以及影響參數(shù)的研究較為細(xì)致,而對其縱向受力的研究較少,使得設(shè)計(jì)工作偏向于利用管幕結(jié)構(gòu)的橫向受力特性來評估整體結(jié)構(gòu)的受力,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不合理和材料的浪費(fèi).
基于此,本文通過ABAQUS軟件建立三維有限元模型,并基于STS管幕結(jié)構(gòu)縱向抗彎性能試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模型的有效性和正確性,對不同參數(shù)組合下的STS管幕構(gòu)件縱向抗彎性能進(jìn)行系統(tǒng)分析,并結(jié)合多指標(biāo)正交試驗(yàn),引入經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分析不同參數(shù)組合的經(jīng)濟(jì)性;隨后,結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,使得到的最優(yōu)連接參數(shù)能夠同時兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性,研究結(jié)果能夠?yàn)镾TS管幕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo).
STS管幕結(jié)構(gòu)是一種用于修建地鐵車站或下穿既有道路、地下管線等現(xiàn)有結(jié)構(gòu)物的新型地下支護(hù)體系.它是由若干個相互平行、共同受力的鋼管組成,鋼管之間通過高強(qiáng)螺栓和焊接翼緣板連接,并在管內(nèi)和管間澆筑混凝土使其成為一個共同受力的組合結(jié)構(gòu),STS管幕結(jié)構(gòu)見圖1.
圖1 STS管幕結(jié)構(gòu)示意圖
STS管幕結(jié)構(gòu)施工步序[21]:①在設(shè)計(jì)位置頂進(jìn)鋼管;②鋼管頂進(jìn)過程中進(jìn)行實(shí)時糾偏并清理管間土體;③在相鄰鋼管間安裝橫向連接螺栓;④在鋼管端部焊接鋼板后澆筑管內(nèi)和管間混凝土;⑤開挖管幕結(jié)構(gòu)下方土體,而后對翼緣板進(jìn)行焊接,完成主體結(jié)構(gòu)施工.STS管幕構(gòu)件加工見圖2.
STS管幕結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)管幕結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)勢:①鋼管間由高強(qiáng)螺栓和焊接翼緣板連接,且在管內(nèi)和管間澆筑混凝土,大大提高了管幕結(jié)構(gòu)的抗彎性能;②取消了傳統(tǒng)管幕結(jié)構(gòu)架設(shè)臨時支撐的復(fù)雜施工步序,同時極大地提升了地下工程施工的安全性.此外,STS管幕結(jié)構(gòu)結(jié)合洞樁法施工,相比于傳統(tǒng)管幕結(jié)構(gòu)更適用于超淺埋大跨度地鐵車站建設(shè).
圖2 STS管幕構(gòu)件加工圖
有限元模型中鋼管與上、下翼緣板均采用了四節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的殼單元(S4R);管內(nèi)和管間混凝土和上、下鋼墊塊均采用了八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的實(shí)體單元(C3D8R);橫向連接螺栓則采用兩節(jié)點(diǎn)線性積分格式的三維桁架單元(T3D2),主要部件網(wǎng)格圖見圖3.
圖3 有限元模型網(wǎng)格圖
建模過程中,鋼墊塊取為彈性模型;橫向連接螺栓和上、下翼緣板均采用理想彈塑性模型[22];管間混凝土的本構(gòu)模型采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線模擬;鋼管內(nèi)部混凝土的本構(gòu)模型采用由韓林海[23]提出的鋼管混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線.
鋼管與管內(nèi)混凝土及鋼管、翼緣板與管間混凝土之間的相互作用采用表面與表面接觸來模擬.混凝土與鋼管、翼緣板接觸面之間的作用分為法向和切向,本文模型中采用“罰函數(shù)”定義切向作用,摩擦系數(shù)取為0.2;法向作用為“硬”接觸,即兩個接觸面脫離后,兩部件之間的相互作用將不再存在;螺栓使用Embedded region命令嵌固在混凝土內(nèi)部;墊塊與鋼管接觸面采用Tie命令約束.
為達(dá)到較好的模擬效果,有限元模型的邊界條件及加載方式與試驗(yàn)保持一致,即邊界條件模擬簡支梁的形式;模型的邊界條件施加在墊塊底面,墊塊上各耦合一參考點(diǎn),集中荷載便施加于其上;數(shù)值模擬中加載方式采用單調(diào)靜力加載.構(gòu)件的邊界條件和加載方式見圖4.
圖4 構(gòu)件邊界條件和加載方式
賈鵬蛟[11]通過STS管幕結(jié)構(gòu)縱向抗彎性能試驗(yàn)研究了不同參數(shù)下STS管幕構(gòu)件縱向抗彎性能的變化規(guī)律.主要變化參數(shù)為相鄰鋼管連接方式、相鄰鋼管中心間距、焊接上翼緣板及下翼緣板厚度等,試驗(yàn)中采用了對稱集中靜力加載直至試件破壞的加載方式.
本文依據(jù)STS管幕結(jié)構(gòu)縱向抗彎性能試驗(yàn)中LCB-2和LCB-6構(gòu)件的參數(shù)建立有限元分析模型,其具體的結(jié)構(gòu)連接參數(shù)見表1.
表1 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件連接參數(shù)表
構(gòu)件LCB-2和LCB-6的荷載-位移曲線見圖5.由表2對比結(jié)果分析表明計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好.
圖5 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比
表2 數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比
本節(jié)主要通過正交試驗(yàn)研究鋼管壁厚、鋼管直徑、螺栓直徑、鋼管間距和翼緣板厚度對STS管幕構(gòu)件的縱向抗彎性能及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響.
正交試驗(yàn)的3個評價指標(biāo)、5因素及5水平如下:
1) 評價指標(biāo):構(gòu)件達(dá)到屈服荷載時的跨中位移y1,構(gòu)件縱向抗彎承載力y2,每延米構(gòu)件材料平均價格y3.
2) 因素:鋼管壁厚x1,鋼管直徑x2,螺栓直徑x3,鋼管間距x4,翼緣板厚度x5.
3) 水平:①鋼管壁厚4~8 mm,②鋼管直徑181~235 mm,③螺栓直徑8~12 mm,④鋼管間距250~330 mm,⑤翼緣板厚度4~8 mm.構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù),見圖6.
圖6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)
由數(shù)值模擬計(jì)算得出評價指標(biāo)y1和y2,再由式(1)計(jì)算得y3,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及各組計(jì)算結(jié)果見表3.
y3=(m1s1+V2s2+m3s3)/lSTS.
(1)
式中:m1為鋼管質(zhì)量(t);s1為鋼管每噸單價(元/t)[24];V2為混凝土體積(m3);s2為每立方米混凝土單價(元/m3);m3為螺栓質(zhì)量(t);s3為螺栓每噸單價(元/t);lSTS為STS管幕構(gòu)件縱向長度(m).
由式(2)計(jì)算各因素的極差Qk,j(表3中因素xj的指標(biāo)yk的極差),并通過比較各因素的極差大小來判斷該因素對某指標(biāo)的影響程度;各因素的極差在極差總和的占比越大,影響就越大.
(2)
STS管幕構(gòu)件達(dá)到屈服荷載時的變形y1的極差分析見表4.由表4可知各參數(shù)對y1的影響程度,其中y1受鋼管直徑影響最大,極差占54.85%,增加鋼管直徑,y1呈減小趨勢;其次是鋼管壁厚(20.79%)、螺栓直徑(12.01%)、鋼管間距(6.88%),對y1影響最小的是翼緣板厚度(5.48%).考慮降低y1,在未引入經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的前提下,STS管幕構(gòu)件連接參數(shù)可取為:鋼管壁厚8 mm,鋼管直徑235 mm,螺栓直徑11 mm,鋼管間距250 mm,翼緣板厚度6 mm.
表3 構(gòu)件參數(shù)組合及評價指標(biāo)計(jì)算結(jié)果
表4 STS管幕構(gòu)件達(dá)到屈服荷載時跨中位移y1的 極差分析
STS管幕構(gòu)件的縱向抗彎承載力y2對應(yīng)的極差分析見表5.由表5可知,y2受鋼管壁厚的影響最大,極差占45.01%,增加鋼管壁厚,y2呈增大趨勢; 其次為鋼管直徑 (34.84%)、 螺栓直徑(9.01%)、鋼管間距(5.68%),對y2影響最小的是翼緣板厚度(5.46%).考慮適當(dāng)提高y2,在未引入經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的前提下,STS管幕構(gòu)件連接參數(shù)可取為:鋼管壁厚8 mm,鋼管直徑235 mm,螺栓直徑11 mm,鋼管間距330 mm,翼緣板厚度8 mm.
表5 STS管幕構(gòu)件的縱向抗彎承載力y2的極差分析
STS管幕構(gòu)件每延米構(gòu)件材料平均價格y3對應(yīng)的極差分析見表6.由表6可知,y3受鋼管壁厚的影響最大,極差占45.27%,增加鋼管壁厚,y3呈增大趨勢;其次為鋼管間距(28.13%)、鋼管直徑(11.02%)、翼緣板厚度(10.61%),對y3影響最小的是螺栓直徑(4.97%).從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮,STS管幕構(gòu)件連接參數(shù)可取為:鋼管壁厚4 mm,鋼管直徑181 mm,螺栓直徑8 mm,鋼管間距270 mm,翼緣板厚度4 mm.
表6 STS管幕構(gòu)件每延米構(gòu)件材料平均價格y3的 極差分析
由上節(jié)的數(shù)據(jù)分析,分別得出三組對于各自評價指標(biāo)最優(yōu)的STS管幕構(gòu)件連接參數(shù),見表7.
表7 僅考慮各自指標(biāo)時的最優(yōu)組合
可見參數(shù)取值方面存在矛盾,實(shí)際工程中需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性等各方面問題.因此,本文引入模糊數(shù)學(xué)理論優(yōu)化STS管幕構(gòu)件的連接參數(shù),以得到兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性的參數(shù)組合.
應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論來定義評價指標(biāo)的隸屬度函數(shù).本次正交試驗(yàn)中,y1和y3為偏小型指標(biāo),y2為偏大型指標(biāo).
對偏小型指標(biāo)yk,第i次試驗(yàn)時,因素xj的隸屬度fik定義如下:
(3)
對偏大型指標(biāo)yk,第i次試驗(yàn)時,因素xj的隸屬度fik定義如下:
(4)
根據(jù)式(3)、式(4)計(jì)算各次試驗(yàn)的各評價指標(biāo)的隸屬度值,再由隸屬度值構(gòu)成模糊關(guān)系矩陣G=(fik)25×3.通過對比三個評價指標(biāo)各自的重要程度,可以得出一組總和為1的評價指標(biāo)權(quán)重值:
ω=[ω1,ω2,ω3]T.
(5)
STS管幕結(jié)構(gòu)施工應(yīng)滿足上述安全性指標(biāo)、可行性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo).本文根據(jù)各評價指標(biāo)的重要性,采用層次分析法對指標(biāo)權(quán)重值進(jìn)行取值,結(jié)果為
ω=[0.31, 0.53, 0.16]T.
(6)
模糊綜合評價隸屬度的計(jì)算公式為
t=G·ω.
(7)
t=[t1,t2,…,t25]T.取ti最大值對應(yīng)的試驗(yàn)組為正交試驗(yàn)組中最優(yōu)方案.
根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論,由正交試驗(yàn)各因素的隸屬度得到模糊綜合評價隸屬度ti,見表8.
表8 模糊綜合評價隸屬度ti
第25組正交試驗(yàn)的模糊綜合評價隸屬度在正交試驗(yàn)組中為最大的,故該正交試驗(yàn)組中的最優(yōu)組合為第25組.本文對模糊綜合評價隸屬度ti做極差分析以尋找25組正交試驗(yàn)之外的最優(yōu)化組合,見表9.
表9 模糊綜合評價隸屬度極差分析
由表9可知各因素對綜合評價的影響程度依次為:鋼管直徑(53.43%)、鋼管壁厚(32.69%)、螺栓直徑(8.50%)、鋼管間距(2.89%)、翼緣板厚度(2.49%).將模糊綜合評價隸屬度極差最大值對應(yīng)的參數(shù)水平分別賦給STS管幕構(gòu)件,則最優(yōu)參數(shù)組合為:鋼管壁厚8 mm,鋼管直徑235 mm,螺栓直徑11 mm,鋼管間距270 mm,翼緣板厚度5 mm.此時需重新建立有限元模型進(jìn)行驗(yàn)算.
5.3.1 優(yōu)化組合的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果
構(gòu)件采用上述優(yōu)化參數(shù)時,計(jì)算結(jié)果為:y1=4.45 mm,y2=1 148.56 kN,y3=519.38元.優(yōu)化后的STS管幕構(gòu)件與優(yōu)化前的構(gòu)件LCB-2相比,y1減小14.85%,y2增大45.64%,該優(yōu)化方案有效控制了結(jié)構(gòu)的變形能力,并提高了結(jié)構(gòu)的承載力.
5.3.2 優(yōu)化組合的綜合隸屬度計(jì)算
由于評價指標(biāo)y1的最小值發(fā)生變化,重新計(jì)算y1的隸屬度,并按照式(7)重新計(jì)算模糊綜合評價隸屬度ti,見表10.
由式(3)、式(4)計(jì)算得到優(yōu)化后的STS管幕構(gòu)件參數(shù)組合評價指標(biāo)的隸屬度為
g=[1.000 0.985 0.034] .
(8)
根據(jù)式(6)、式(7)和式(8)計(jì)算得到優(yōu)化后STS管幕構(gòu)件參數(shù)組合的模糊綜合評價隸屬度為0.837,與表10中數(shù)據(jù)對比,優(yōu)化后的STS管幕構(gòu)件參數(shù)組合的模糊綜合評價隸屬度最大,故該優(yōu)化參數(shù)組合是合理的.
表10 優(yōu)化后模糊綜合評價隸屬度ti
賈鵬蛟[11]依托STS管幕結(jié)構(gòu)縱向抗彎性能試驗(yàn),并結(jié)合數(shù)值模擬提出鋼管壁厚和翼緣板厚度的比值在1.00~1.25之間,且相鄰鋼管間距和翼緣板厚度的比值應(yīng)在40左右時其受力較為合理.按照本節(jié)所提出的參數(shù)優(yōu)化選取方法,在不考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)y3的情況下,得到的最優(yōu)參數(shù)組合為鋼管壁厚8 mm,鋼管直徑235 mm,螺栓直徑11 mm,鋼管間距290 mm,翼緣板厚度7 mm,該參數(shù)組合能滿足文獻(xiàn)[11]給出的取值范圍.此外,本文引入了經(jīng)濟(jì)指標(biāo)y3,從安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度,采用模糊數(shù)學(xué)理論得到了一組進(jìn)一步優(yōu)化后的連接參數(shù)組合:鋼管壁厚8 mm,鋼管直徑235 mm,螺栓直徑11 mm,鋼管間距270 mm,翼緣板厚度5 mm.引入經(jīng)濟(jì)指標(biāo)前后STS管幕構(gòu)件的評價指標(biāo)計(jì)算結(jié)果對比見表11.
表11 引入經(jīng)濟(jì)指標(biāo)前后的評價指標(biāo)對比
由表11可知,在考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)時,構(gòu)件的極限承載力雖下降3.79%,但y1降低1.77%,而y3卻下降了5.67%,對于大體量工程項(xiàng)目該指標(biāo)的降低是比較可觀的.由此可見,在承載力得到保證的情況下,不僅能很好地控制結(jié)構(gòu)變形,而且也有效降低了工程成本;因此本文所得結(jié)論在為STS管幕結(jié)構(gòu)的工程推廣上具有一定參考價值.
在實(shí)際工程中根據(jù)頂管施工要求,鋼管直徑往往為定值,根據(jù)本文研究得到的各參數(shù)優(yōu)化結(jié)果比值為鋼管直徑∶鋼管壁厚∶螺栓直徑∶鋼管間距∶翼緣板厚度=1∶0.03∶0.05∶1.15∶0.02.
1) 建立了STS管幕的有限元計(jì)算模型,構(gòu)件LCB-2的承載力和剛度與試驗(yàn)值分別相差0.43%和4.94%;構(gòu)件LCB-6的承載力和剛度與試驗(yàn)值分別相差1.33%和0.75%,吻合度較高.
2) 3個評價指標(biāo)各自均有2個因素較其他3個因素對其具有顯著影響.對于STS管幕構(gòu)件達(dá)到屈服荷載時跨中豎向位移,影響顯著的因素是鋼管直徑和鋼管壁厚;對于STS管幕構(gòu)件極限承載力,影響顯著的因素是鋼管壁厚和鋼管直徑;對于STS管幕構(gòu)件每延米構(gòu)件材料平均價格,影響顯著的因素是鋼管壁厚和鋼管間距.綜合來看,對于連接參數(shù)影響顯著的因素依次是鋼管直徑、鋼管壁厚.
3) 得到了兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)連接參數(shù)比,即鋼管直徑∶鋼管壁厚∶螺栓直徑∶鋼管間距∶翼緣板厚度=1∶0.03∶0.05∶1.15∶0.02.