地铁深基坑钢支撑失稳的受力分析

2020-12-06郑红军

河南科技 2020年29期

郑红军

摘要：本文以郑州市轨道交通6号线为背景，采用ABABQUS有限元分析软件，对地铁深基坑钢支撑失稳状态下的三角钢架及起固定作用的膨胀螺栓的受力特性进行了数值模拟，通过计算与分析，得出三角钢架与膨胀螺栓的应力、位移。结果表明，地铁深基坑一端的钢支撑失稳时，钢支撑、钢围檩的全部重力由另一端三角钢架支撑，这种情况下，三角钢架、膨胀螺栓完全满足钢支撑坠落时的变形和强度要求，这是一种完全可靠的支撑装置。

关键词：钢支撑失稳;数值模拟;膨胀螺栓;受力分析;膨胀螺栓

中图分类号：TU473文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）29-0122-03

Abstract： Taking Zhengzhou Rail Transit Line 6 as the background， this paper used ABABQUS finite element analysis software to numerically simulate the force characteristics of the triangular steel frame and the fixed expansion bolts under the unstable state of the steel support of the subway deep foundation pit， and obtained the stress and displacement of the triangular steel frame and expansion bolts through calculation and analysis. The results show that when the steel support at one end of the deep foundation pit of the subway loses stability， all the gravity of the steel support and the steel purlin is supported by the triangular steel frame at the other end， in this case， the triangular steel frame and expansion bolts fully meet the deformation and strength requirements of the steel support when it is dropped， which is a completely reliable support device.

Keywords： steel support instability;numerical simulation;expansion bolts;force analysis;expansion bolts

地鐵线路车站建设是地铁施工过程中的难点工程，需要更大、更深的地下空间，基坑开挖以及车站建设过程中需要的支护结构也会更加复杂。因此，地铁车站深基坑施工中需要使用超、斜钢支撑作为支护结构，其受力变形复杂，设计中若考虑不周，易出现钢支撑失稳而引发坠落事故。钢支撑自重极大，发生坠落将有可能砸落下一道钢支撑，甚至造成连锁反应，导致整个内支撑体系失效，对整个工程危害极大[1-5]。另外，钢支撑坠落对下方施工人员、施工机械也造成极大危害。因此，在钢支撑坠落情况下，三角钢架能否承受钢支撑的全部重力，防止钢支撑完全脱落，是一个非常重要的问题[6-9]。

本文研究的主要内容是钢支撑一端发生失稳坠落，另一端三角支架完全独自承受钢支撑的自重情况下的受力情况，运用ABABQUS有限元分析软件建模并进行数值分析，得出相应的计算结果，为深基坑内支撑设计提供相应的理论基础。

1 工程简介

1.1 工程概况

泉州路站是郑州市轨道交通6号线市政配套工程的中间站，车站中心里程为YDK14+258.000。该站位于文博大道与泉州路交叉口，沿文博大道方向进行东西向设置。车站周边为规划用地，现阶段为空地。车站两端区间均为盾构区间，根据工程筹划，大里程端为盾构接收，小里程端为盾构始发。

本站为地下两层岛式车站，设置双停车线，站台宽度为11 m，车站主体总长约为515 m，标准段基坑宽为20.1 m，扩大端基坑宽为24 m，中心里程为DK14+258.000，顶板覆土约为3.6 m，标准段底板埋深约为17.45 m，盾构井段底板埋深约为17.9 m。本站为地下两层单柱双跨（局部双柱三跨）箱形框架结构，车站主体及附属结构均采用明挖法施工。

1.2 基坑围护及内支撑设计

车站主体围护结构标准段基坑采用[Φ]1 000 mm@1 500 mm钻孔灌注桩+3道[Φ]609 mm钢管支撑。基坑第一道支撑直接设置于桩顶冠梁之上。钻孔灌注桩之间采用挂[Φ]6.5 mm@150 mm×150 mm钢筋网片，并喷射混凝土进行支护。

1.3 钢支撑构造

钢支撑指运用钢管、H型钢、角钢等增强工程结构的稳定性，一般情况是倾斜的连接构件，最常见的是人字形和交叉形状。目前，钢支撑在地铁、基坑围护方面被广泛应用，钢支撑可回收再利用，具有经济性、环保性等特征。钢支撑构造详情如图1所示，三角钢架构造详情如图2所示。

2 数值分析

建立的有限元模型如图3所示。本次模拟对象选取第一道钢支撑，取冠梁长度1.0 m、截面尺寸0.8 m×0.9 m，三角钢架、膨胀螺栓尺寸与图2一致，网格划分如图4所示。

施加约束、荷载如下：冠梁底部施加固定约束，冠梁沿轴向施加轴向约束，竖向施加重力加速度。

冠梁、三角钢架、膨胀螺栓的主要力学参数如表1所示。

2.1 三角钢架受力性能分析

钢支撑采用[Φ]609 mm×[δ]16 mm（直径609 mm、壁厚16 mm），钢支撑长度为20 m，总重量为13 440 kg，钢围檩采用热轧双拼45c（截面尺寸482 mm×700 mm×600 mm），每米质量为430 kg，总长为4 m，总质量为1 720 kg，此段钢围檩下共设置5个三角钢架。

本工况考虑最不利情况，考虑钢支撑和钢围檩的全部重力作用，将钢支撑和钢围檩的总重力151.1 kN全部施加到5个三角钢架上。通过数值计算，得到了三角钢架的Miss应力云图和位移云图，如图5和图6所示。

从图5和图6可以看出，在钢支撑重力的作用下，三角钢架的最大应力为56.12 MPa，出现在三角钢架与膨胀螺栓上部连接处。上述三角钢架采用Q235钢板，板厚为15 mm，其抗拉强度f=235 MPa。模拟结果显示，拉应力最大为56.12 MPa，最大变形位移为8.39 mm。根据计算结果可以判定，本文應用的三角钢架完全满足钢支撑架设的质量、变形和强度要求。

2.2 膨胀螺栓受力性能分析

通过数值计算，得到了三角钢架的Miss应力云图和位移云图，如图7和图8所示。

由图7和图8可以看出，膨胀螺栓的最大位移为9.71 mm，拉应力为55.34 MPa，膨胀螺栓抗拔强度为400 MPa，根据计算结果可以判定，膨胀螺栓完全满足钢支撑坠落时的变形和强度要求，是一种完全可靠的防坠落措施。

3 结论

本文对三角钢架、膨胀螺栓结构进行了数值模拟，结果表明，在钢支撑坠落时，三角钢架和膨胀螺栓均完全满足钢支撑坠落时的质量、变形和强度要求。

参考文献：

[1]路鹏.超深基坑施工支护结构受力变形实测分析[J].工程勘察，2020（7）：12-17.

[2]张大洋.地铁车站深基坑开挖施工技术研究[J].住宅与房地产，2020（18）：170-172.

[3]孙毅，吕昭.地铁明挖车站钢支撑施工安全风险管控[J].珠江水运，2020（9）：74-75.

[4]楼岱，池玉宇，张国良，等.基坑钢支撑轴力监测的优化及实践[J].水道港口，2020（2）：204-209.

[5]秦宏昌.关于地铁深基坑开挖钢支撑施工技术应用研究[J].河南建材，2020（3）：27-29.

[6]曹慧，许利东，王晓曙.大规模深基坑中工具式组合钢支撑的应用研究[J].施工技术，2020（6）：109-113.