谢　欣，赵　文，关永平

(东北大学，辽宁 沈阳 110004)



地铁车站STS工法钢管混凝土横向连接正截面受弯数值模拟研究

谢欣，赵文，关永平

(东北大学，辽宁 沈阳 110004)

摘要：韩国STS工法是一种用于下穿高速公路的隧道施工工法，该工法主要是采用管幕作为初期支护，具有沉降小、施工速度快的特点。沈阳某地铁车站施工将采用韩国STS与洞桩法施工技术结合的方法。然而焊接下翼缘板的改进，使得结构的抗弯刚度等一系列力学性能发生了较大的改变，迫切需要相关研究为施工与设计提供理论基础。使用ANSYS有限元分析软件，得到了STS结构竖向荷载作用下的应力分布与变形特点，结果表明焊接翼缘板在提升结构抗弯性能中起到了重要的作用。同时通过钢管的应力分布与变形特点，发现了翼缘板焊接后钢管壁出现了横向拉伸变形，该变形使得结构出现了应力集中的现象，同时也说明此时平截面假定不适用。

关键词：STS工法；管幕结构；正截面受弯

管幕工法是当今地下结构施工中应用较多的一种施工工法。中国使用管幕法施工有三十年的历史[1]，在此期间孙钧[2]、朱合华[3]、李耀良[4]、阎石[5]、于晓东[6]、刘学增[7]、王秀志[8]等人都对管幕法展开了相关研究。

韩国工程师在管幕法的基础上发展出多种适用于不同工程需要的管幕施工工法，很多学者针对各管幕法的力学性能进行了研究工作，如Innjoon Park[9]等人使用FLAC 3D有限元分析软件对TRT工法进行了数值模拟研究。STS工法就是韩国一种用于下穿高速公路隧道的管幕施工方法，该工法采用顶管施工方法，将单管顶入土体后连接形成管幕，然后在管幕的维护下，一步步安装支护，开挖土体，浇筑主体结构，最终实现结构的闭合成环。

洞桩法(PBA)是一种国内应用较为普遍的地铁暗挖施工工法，产生于20世纪90年代，北京地铁天安门西站首次采用该工法[10]。国内瞿万波[11]、袁扬[12]、宋汉甫[13]、杨慧林[14]、吕波[15]等学者对洞桩法开展了研究工作，该工法理论基础与施工技术较为成熟。

沈阳某待建地铁车站暗挖施工将采用STS工法与洞桩法结合的方法，以单管顶进技术为基础，利用钢管间横向连接螺栓及翼缘板进行连接，浇筑混凝土形成管幕结构作为开挖期间临时支护体系，如图1所示。STS工法中钢管与钢管之间的横向连接成为较为薄弱的部位，在韩国工法的施作中结构跨度较小，钢管间使用螺栓焊接即可满足施工要求。但考虑到用于该工法应用于地铁车站施工时，结构跨度较大，且顶部采用平顶设计，结构承受的弯矩、剪力较大，有必要通过焊接钢管间受拉区翼缘板的方式增大钢管横向连接刚度，控制初期支护结构的变形。

图1STS管幕工法结构示意图

由于受拉区翼缘板焊接对管幕结构力学性能影响较大，但至今尚未有类似结构形式的施工案例以及相关研究。因而，需要先通过数值模拟出管幕横向受弯后的受力与变形情况，为结构的设计与施工提供理论依据。

1　STS管幕结构基本参数

STS管幕结构采用直径900 mm的钢管，相邻钢管之间通过横向螺栓和翼缘板进行连接，并在钢管间和钢管内填充混凝土，继而形成板状结构，如图2所示。

图2STS管幕结构横向连接示意图

STS工法中使用的是特制的钢管，包括圆钢管、翼缘板、导槽三个部分，钢管具体尺寸如图3所示。钢管采用Q235钢，厚度22 mm，两侧预留有用于安放螺栓的孔洞，钢管间采用8.8级M27螺栓进行连接。翼缘板也采用Q235钢，厚度22 mm，仅将相邻钢管间混凝土受拉区一侧的翼缘板焊接起来，而受压区一侧相邻钢管的翼缘板之间则不作焊接处理。钢管内与钢管间采用C40混凝土。

图3STS钢管尺寸图(mm)

2　数值模拟试验

将沿钢管方向1.5 m、横向8根钢管组成的部分结构作为基本受力结构，如图4所示，使用ANSYS有限元分析软件进行静力分析。模型不考虑螺栓和混凝土之间的相对滑移，认为相邻翼缘板焊接后成为一整块翼缘板，不考虑之间焊缝的作用，同时由于上侧翼缘板未做焊接处理，因而不考虑其对结构的影响。

图4数值模拟基本结构示意图

数值模型中采用简支支座，在左边第一个钢管底部节点上施加竖向及横向约束，右边第一个钢管节点上施加竖向约束，简支结构跨距6 930 mm，如图4所示。在中间六根钢管顶部节点上施加竖直向下的集中荷载，共计54个大小相同的集中荷载，模拟结构顶部受土压力的状态。集中荷载分别取5 kN、10 kN、15 kN三种大小，对应荷载编号如表1所示，用以反映混凝土在不同大小荷载作用下的受力特点。

表1　结构跨中最大位移

图5数值模型单元类型示意图

如图5所示，在模型中混凝土采用Solid 65混凝土单元，混凝土本构关系采用《混凝土结构设计规范》[16](GB 50010—2010)中的应力应变公式，定义混凝土抗压强度19.0 MPa，混凝土抗拉强度1.70 MPa，允许混凝土单元发生开裂。横向连接螺栓采用link8杆单元，屈服强度640 MPa，弹性模量210 GPa。钢管与下翼缘板均采用的是shell 63弹性壳单元，厚度22 mm，屈服强度210 MPa，弹性模量210 GPa。不考虑钢管与混凝土之间的分离以及螺栓与混凝土之间的相对滑移，钢管与混凝土单元之间、螺栓与混凝土单元均共用节点。

3　数值模拟结果

模型在三种荷载作用下，各荷载作用下的最大位移如表1所示。可以看出随着荷载成比例的增大，位移增长速率要明显高于荷载增大速率，说明结构抗弯刚度有了明显的下降，有可能是混凝土开裂导致的。

结合图6与图7可以看出，结构压应力主要由钢管间的受压区混凝土、受压区钢管以及螺栓承担，而拉应力主要是由钢管、翼缘板以及螺栓承担。注意到图6中跨中位置翼缘板拉应力在21.534 MPa～33.443 MPa的范围内，而图7中跨中位置螺栓拉应力在47.732 MPa～59.254 MPa，当采用相同弹性模量的材料时离中性轴较远的翼缘板应力小于离中性轴较近的螺栓，说明此时受弯构件平截面假定是不适用的。

图6荷载3作用下受拉区水平应力图

图7荷载3作用下螺栓受力图

当施加荷载1后，混凝土最大第一主应力出现在跨中位置钢管内侧靠近翼缘板的部位(1.049 MPa～0.211 MPa)，如图8所示。随着荷载的增大，该位置拉应力逐渐上升，达到混凝土抗拉极限强度，发生开裂。随着混凝土从跨中向两端的开裂，混凝土的最大拉应力的位置由跨中向两侧推移，当荷载达到15 kN时，混凝土最大应力发生在两侧第二根钢管和第三根钢管之间的位置(1.22 MPa～1.463 MPa)，如图9所示。

图8荷载1作用下跨中混凝土第一主应力

图9荷载3作用下混凝土第一主应力

将荷载3作用下跨中位置的钢管提取出来变形放大100倍，如图10所示，可以看出钢管在翼缘板的拉伸下有明显的变形(以下称该变形为钢管横向拉伸变形)。在钢管壁与翼缘板连接处，钢管壁外侧出现了应力集中的现象(最大拉应力118.1 MPa)。钢管横向拉伸变形是产生上文翼缘板水平方向拉应力(21.534 MPa～33.443 MPa)小于同截面上螺栓拉应力(47.732 MPa～59.254 MPa)的原因。因而在计算结构的正截面抗弯刚度时，不能直接使用平截面假定将翼缘板截面用于惯性矩叠加，而是应该先综合钢管拉伸变形与翼缘板的拉伸变形进行相应的折减，然后再根据正截面受力特点进行刚度计算。

图10荷载3作用下跨中钢管及翼缘板第一主应力放大图

4　结　论

通过对STS管幕构件的数值模拟试验，得到了STS结构在静力作用下的变形与应力分布云图。通过对不同荷载下各试件变形与应力分布规律的研究，可以得到如下几条结论：

(1)结构在受到弯矩作用后，压应力主要由钢管间的受压区混凝土、受压区钢管以及螺栓承担，而拉应力主要是由钢管、翼缘板以及螺栓承担，焊接翼缘板起到了很大的作用。

(2)弯矩作用下，钢管会发生拉伸变形，钢管壁会出现应力集中的现象，钢管横向结构不满足平截面假定。

参考文献：

[1]刘博海，杨亮，罗昊冲．管幕法简述[J]．城市道桥与防洪，2011,(5)：141-143．

[3]朱合华，李向阳，肖世国，等．软土地层管幕—箱涵顶进工具管网格自平衡设计理论研究[J]．岩石力学与工程学报，2005,(7)：2242-2247.

[4]李耀良，张云海，李伟强．软土地区管幕法工艺研究与应用[J]．地下空间与工程学报，2011,7(5)：962-967．

[5]阎石，王健，金春福，等．新管幕肋梁结构体系抗弯性能试验[J]．沈阳建筑大学学报：自然科学版，2011,27(2)：242-246.

[6]于晓东．新管幕法在地铁车站施工中的安全控制措施[J]．现代城市轨道交通，2013,(5)：63-65.

[7]刘学增，朱合华，闫治国，等．管幕法隧道施工方案研究[C]//2004年城市地下空间开发与地下工程施工技术高层论坛，2004.

[8]王秀志，胡云峰，顾闻．管幕法工作井结构设计概述[J]．岩土工程界，2006，9(2)：72-75.

[9]Innjoon Park,Changwon Kwak,Sangwhan Kim,et al.Verification and general behavior of tubular roof &trench method (T.R.&T)by numerical analysis in Korea[C]//Proceedings of the World Tunnel Congress and 32nd ITA Assembly,Tunnelling in Soils,Rocks and Mixed Ground，Seoul Korea，22-27 April 2006：394-398.

[10]肖广智．北京地铁天安门西站设计施工方案比选及优化[J]．世界隧道，2000,(1)：23-27．

[11]瞿万波，刘新荣，傅晏，等．洞桩法大断面群洞交叉隧道初衬数值模拟[J]．岩土力学，2009,(9)：2799-2804．

[12]袁扬．洞桩法施工地铁车站导洞开挖方案优化分析[J]．地下空间与工程学报，2011,7(增12):1692-1696.

[13]宋汉甫．浅埋暗挖洞桩法施工发展综述及探讨[J]．中国水运，2008,8(8):221- 223.

[14]杨慧林，宋月光．洞桩法地下基坑设计施工关键技术[J]．铁道标准设计，2006,(11):60-65.

[15]吕波.洞桩法地下基坑时空效应分析与施工技术研究[J]．现代隧道技术，2008,(3):54-59.

[16]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50010—2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

NumericalSimulationResearchonTransverseAnti-bendingCharacteristicsofConcreteFilledSteelTubesinSTSMethodforSubwayStations

XIE Xin,ZHAO Wen,GUAN Yong-ping

(NortheasternUniversity,Shenyang,Liaoning110004,China)

Abstract：Korean STS (Steel Tube Slab)method is a new metro subsurface excavation method for tunnels beneath the highways.According to this method,the pipes are used as the supporting materials while the tunnel is under construction,which only causes small settlement and saves time on construction A method that combines the STS method and the domestic Pile Beam Arch method (PBA)will be used for the construction of a subway station in Shenyang.However,the improved welded flange slab in new method will cause great changes in the mechanical properties of the structure,such as the bending stiffness.Therefore associated research is much needed to provide theoretical basis for the design and construction.The stress distribution and deformation of the simple supported STS structure under vertical load was acquired by using the the finite element software ANSYS.The result indicates that the welded flange slab plays an important role in improving the anti-bending property of the structure.The transverse tensile strain of steel pipe occurs after the welding of the flange slabs according to the stress distribution and the deformation of the structure,which may cause the stress concentration,and proves that the plane section assumption cannot be used for the STS structure.

Keywords：STS method;pipe roof structure;bending normal section

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.014

中图分类号：TU392.3

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0074—04

作者简介：谢欣(1989—)，男，安徽马鞍山人，硕士研究生，研究方向为岩土工程。

收稿日期：2014-09-04修稿日期：2014-10-13