王 皓

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 430063, 武漢∥高級工程師)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源匱乏、氣候變暖等問題也日益突出。建筑業(yè)作為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),面臨碳排放較大和能耗較高等問題,是目前我國節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。減少建筑業(yè)碳排放,對實(shí)現(xiàn)我國節(jié)能減排目標(biāo)具有重大意義。鋼筋混凝土支撐是地下車站深基坑工程中常用的支撐形式之一,具有強(qiáng)度高、整體性好、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),但也存在施工難度大、不可重復(fù)使用、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益低等問題?；诖?本文依托無錫至江陰城際軌道交通工程南門站工程,提出了一種適用于地鐵車站的新型裝配式雙H型鋼支撐。根據(jù)項(xiàng)目需求針對此種裝配式雙H型鋼支撐進(jìn)行了截面及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),對此種裝配式雙H型鋼支撐及其連接節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行了軸壓和受彎數(shù)值模擬,介紹了該裝配式雙H型鋼支撐在實(shí)際工程中的應(yīng)用,并對其經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益進(jìn)行了分析。

1 雙H型鋼支撐截面及節(jié)點(diǎn)選型

無錫至江陰城際軌道交通工程南門站為地下二層島式車站,位于虹橋南路與規(guī)劃長慶路交叉路口。根據(jù)車站結(jié)構(gòu)型式不同,車站可分為端頭井段及標(biāo)準(zhǔn)段:端頭井段基坑深約為19.25 m,寬約為23.80 m;車站主體標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約為17.74 m,寬約為19.70 m。根據(jù)主體基坑周邊環(huán)境、基坑特點(diǎn)、水文地質(zhì)等因素確定主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)形式。第一道支撐通常采用混凝土支撐,用于安全保障和增加安全冗余度,確保在風(fēng)險(xiǎn)來臨時(shí)有足夠的安全儲(chǔ)備。其余2道支撐均采用直徑800 mm(厚度20 mm)的鋼支撐。

現(xiàn)設(shè)計(jì)一種裝配式鋼支撐替代第一道混凝土支撐,并使該裝配式鋼支撐達(dá)到和混凝土支撐相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度及較為合理的剛度。裝配式鋼支撐由肢件和綴材組成,在同等承載能力下,比實(shí)腹式支撐自重更輕;且裝配式支撐繞實(shí)軸和虛軸的長細(xì)比相較于實(shí)腹式支撐更小,穩(wěn)定性更好,適合作為基坑支撐。H型鋼生產(chǎn)安裝方便,抗彎能力強(qiáng),但其兩個(gè)主軸的慣性矩相差極大,使其不宜單獨(dú)作為軸心受力構(gòu)件[1],因此設(shè)計(jì)了一種以H型鋼作為肢件、以綴板進(jìn)行連接的裝配式雙H型鋼支撐。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]中軸心受壓H型鋼構(gòu)件毛截面屈服承載力、凈截面斷裂承載力和穩(wěn)定承載力計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果可知,文獻(xiàn)[3]表1中的HN800 mm×300 mm型號H型鋼能夠滿足實(shí)際工程需要,并計(jì)算出了雙H型鋼支撐繞實(shí)軸和虛軸的穩(wěn)定承載力分別為11 562 kN和11 520 kN。裝配式雙H型鋼支撐及連接節(jié)點(diǎn)如圖1所示。支撐總長度為19.7 m,共分成5段;每段長分別為1.83 m、5.50 m、5.00 m、5.50 m和1.83 m,各分段間隔為10 mm;各分段間通過螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。腹板處采用48個(gè)10.9級M30高強(qiáng)度螺栓與10 mm厚拼接板連接,翼緣處采用64個(gè)10.9級M27高強(qiáng)度螺栓與18 mm厚拼接板連接,彎矩傳遞效率可以達(dá)到80%,接近剛性節(jié)點(diǎn)。裝配式支撐端部采用H型鋼混凝土短梁與冠梁形成剛性連接,如圖1 d)所示。

a) 整節(jié)支撐俯視圖

2 雙H型鋼支撐及其拼接節(jié)點(diǎn)受力性能研究

2.1 軸壓性能分析

采用大型有限元分析軟件ABAQUS建立雙H型鋼支撐精細(xì)化數(shù)值模型(見圖2),對軸壓全過程進(jìn)行數(shù)值模擬。裝配式雙H型鋼支撐有448顆螺栓,為了減少模型的單元數(shù)量和計(jì)算時(shí)間,不建立螺栓相關(guān)模型。模型各部分均采用8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元(C3D8R)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,單元尺寸為50 mm×50 mm×50 mm(長×寬×高),共有79 324個(gè)單元。雙H型鋼支撐右端截面耦合參考點(diǎn)為RP1,對參考點(diǎn)施加z方向位移,同時(shí)約束其他方向的自由度;左端截面耦合參考點(diǎn)為RP2,并固定約束。綴板、翼緣拼接板,以及腹板拼接板與型鋼間均為綁定約束。模型所用材料均為Q355鋼材,材料參數(shù)按照文獻(xiàn)[2]進(jìn)行取值:彈性模量為206 000 MPa,屈服強(qiáng)度為355 MPa,抗拉強(qiáng)度為550 MPa。

圖2 雙H型鋼支撐有限元模型網(wǎng)格劃分及邊界條件

對已建立的雙H型鋼支撐有限元模型進(jìn)行特征值屈曲分析,分別得到第7階支撐繞虛軸彎曲和第11階支撐繞實(shí)軸彎曲的兩種屈曲模態(tài),如圖3所示。后續(xù)分別取包含有支撐繞虛軸和實(shí)軸整體彎曲的模態(tài)作為支撐的初始缺陷形狀。初始缺陷幅值參照文獻(xiàn)[2]取值為50 mm。

a) 繞虛軸彎曲

開展考慮幾何和材料非線性的雙非線性有限元分析,分別以支撐繞虛軸彎曲和繞實(shí)軸彎曲作為初始缺陷狀態(tài),得出雙H型鋼支撐的荷載-位移關(guān)系曲線,如圖4所示。由圖4可知,當(dāng)以支撐繞虛軸屈曲作為初始缺陷時(shí),在荷載達(dá)到17 132 kN以前,荷載-位移曲線近似為一條直線,整體處于彈性階段;在荷載達(dá)到18 203 kN后,位移繼續(xù)增加,荷載開始下降,表明支撐發(fā)生了整體失穩(wěn)。以支撐繞實(shí)軸屈曲作為初始缺陷時(shí),在荷載達(dá)到17 456 kN以前,荷載-位移曲線近似為一條直線,表明支撐整體處于彈性狀態(tài);在荷載達(dá)到18 731 kN后曲線彎曲,位移繼續(xù)增加,荷載緩慢上升。

圖4 雙H型鋼支撐荷載-位移關(guān)系曲線

以支撐繞虛軸屈曲作為初始缺陷進(jìn)行數(shù)值分析,提取18 203 kN時(shí)支撐整體應(yīng)力云圖,如圖5 a)所示。由圖5 a)可見,端部腹板和翼緣部分屈服,最大應(yīng)力為357.7 MPa,略高于鋼材屈服強(qiáng)度。H型鋼支撐側(cè)向最大位移為24.9 mm,因此認(rèn)為H型鋼支撐發(fā)生了整體彈塑性失穩(wěn)和局部失穩(wěn)。

a) 繞虛軸失穩(wěn)應(yīng)力云圖

以H型鋼支撐繞實(shí)軸屈曲作為初始缺陷進(jìn)行數(shù)值分析,提取18 731 kN時(shí)的整體應(yīng)力云圖,如圖5 b)所示。由圖5 b)可見,支撐整體應(yīng)力分布較為均勻,各處翼緣與腹板均存在部分屈服,最大應(yīng)力為356.7 MPa,略高于鋼材屈服強(qiáng)度。

2.2 連接節(jié)點(diǎn)受彎性能分析

將該H型鋼支撐截面尺寸代入文獻(xiàn)[2]中的裝配式雙H型鋼支撐連接節(jié)點(diǎn)受彎承載力計(jì)算公式,計(jì)算得到雙H型鋼支撐節(jié)點(diǎn)繞實(shí)軸的彎矩承載力為1 750 kNm。

采用大型有限元分析軟件ABAQUS建立雙H型鋼支撐螺栓連接節(jié)點(diǎn)精細(xì)化數(shù)值模型(見圖6),對節(jié)點(diǎn)受彎全過程進(jìn)行數(shù)值模擬。模型各部分均采用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,螺栓單元尺寸為8 mm×8 mm×8 mm(長×寬×高),其余部位網(wǎng)格尺寸為20 mm×20 mm×20 mm(長×寬×高),共有72 780個(gè)單元。支撐右端截面耦合參考點(diǎn)為RP1,并施加x方向轉(zhuǎn)角;左端截面耦合參考點(diǎn)為RP2,并固定約束。除綴板與H型鋼間采用綁定約束外,其余部分均建立面面接觸。根據(jù)文獻(xiàn)[5-7],螺栓預(yù)緊力采用螺栓荷載(bolt-load)進(jìn)行施加,螺栓與連接件之間采用面面接觸,法向作用設(shè)置為硬接觸,切向作用采用庫倫摩擦,摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3,能較好地模擬螺栓的力學(xué)性能。模型所用材料與本文2.1節(jié)中的一致。

圖6 雙H型鋼支撐有限元模型連接節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分與 邊界條件

基于建立的有限元模型開展非線性有限元計(jì)算分析,得到該節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線,如圖7所示。由圖7可知,在彎矩達(dá)到2 765 kNm以前,曲線近似直線,表明該節(jié)點(diǎn)整體處于彈性工作狀態(tài);在彎矩達(dá)到2 765 kNm后,曲線彎曲,表明該節(jié)點(diǎn)部分區(qū)域進(jìn)入塑性工作狀態(tài);在彎矩達(dá)到3 374 kNm時(shí),計(jì)算結(jié)束。

提取彎矩為2 765 kNm、3 374 kNm時(shí)該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力云圖,如圖8所示。在彎矩達(dá)到2 765 kNm時(shí),H型鋼支撐上翼緣受壓屈服,最大變形為21.4 mm,腹板應(yīng)力偏小,最大變形為7.5 mm。翼緣螺栓應(yīng)力大于腹板螺栓應(yīng)力,且翼緣螺栓主要承受剪力,最大應(yīng)力為428.6 MPa。在彎矩達(dá)到3 374 kNm時(shí),H型鋼上翼緣屈服區(qū)域擴(kuò)散,上翼緣最大變形為61.9 mm,腹板最大變形為27.8 mm,螺栓仍未屈服,應(yīng)力最大為501.9 MPa,且翼緣拼接板處螺栓應(yīng)力大于腹板拼接板處螺栓?？芍摴?jié)點(diǎn)處螺栓連接強(qiáng)度大于雙肢強(qiáng)度,且屈服彎矩為2 765 kNm。

a) 彎矩為2 765 kNm時(shí)應(yīng)力云圖

3 工程實(shí)踐

該裝配式雙H型鋼支撐已成功應(yīng)用于無錫至江陰城際軌道交通工程南門站工程。如圖9所示,第一道即為裝配式雙H型鋼支撐,強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、施工迅速、安裝拆卸方便。該支撐具體施工流程為:① 在工廠預(yù)制裝配式雙H型鋼支撐;② 將各段支撐運(yùn)輸至現(xiàn)場,使用高強(qiáng)度螺栓與拼接板對2 m、5 m和6 m長分段支撐進(jìn)行靈活組合連接,拼接成符合基坑寬度的整節(jié)支撐;③ 進(jìn)行基坑圍護(hù)施工,開挖基坑至冠梁底標(biāo)高;④ 在基坑內(nèi)架設(shè)基坑定位支架,使用龍門吊將連接好的整節(jié)支撐吊至預(yù)定的位置;⑤ 澆筑冠梁,使裝配式雙H型鋼支撐與冠梁連接成一個(gè)整體;⑥ 主體結(jié)構(gòu)完成后拆卸中間節(jié)點(diǎn)螺栓,將整節(jié)支撐吊運(yùn)至基坑外,在基坑外逐節(jié)拆卸高強(qiáng)度螺栓;⑦ 拆卸完成后將各段支撐轉(zhuǎn)運(yùn)至其他工地重復(fù)使用。該工程支撐壓力設(shè)計(jì)值最大為1 805 kN,達(dá)到數(shù)值模擬屈服荷載的11%,認(rèn)為該裝配式雙H型鋼支撐可重復(fù)使用。

圖9 裝配式雙H型鋼支撐工程應(yīng)用

4 效益分析

根據(jù)裝配式雙H型鋼支撐的承載能力設(shè)計(jì)相應(yīng)的鋼筋混凝土支撐,并將裝配式雙H型鋼支撐與鋼筋混凝土支撐進(jìn)行對比。使用較高強(qiáng)度等級混凝土制成的鋼筋混凝土支撐在破除時(shí)會(huì)因混凝土強(qiáng)度較大而增加施工難度,因此工程上往往使用C30或C35混凝土制作鋼筋混凝土支撐。使用C30強(qiáng)度等級的混凝土,根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的計(jì)算公式設(shè)計(jì)相應(yīng)的鋼筋混凝土支撐,經(jīng)計(jì)算,截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm、配置25根φ12HRB335普通縱向鋼筋的鋼筋混凝土支撐與裝配式雙H型鋼支撐承載力近似相等。

根據(jù)2021年11月武漢市鋼材和混凝土市場價(jià)格可計(jì)算出裝配式雙H型鋼支撐綜合單價(jià)約5 000元/m,裝配式雙H型鋼支撐可重復(fù)使用,但在工地間轉(zhuǎn)運(yùn)使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的運(yùn)輸和安裝費(fèi)用,綜合考慮實(shí)際工程量和裝配式雙H型鋼支撐的質(zhì)量后,可以計(jì)算出裝配式雙H型支撐使用一次產(chǎn)生800元/m的運(yùn)輸安裝費(fèi)用。鋼筋混凝土支撐綜合單價(jià)約2 500 元/m。若支撐使用n次,則裝配式雙H型鋼支撐和鋼筋混凝土支撐的經(jīng)濟(jì)成本分別為5 000+800n(元/m)和2 500n(元/m)。經(jīng)濟(jì)成本節(jié)約量如圖10所示。裝配式雙H型鋼支撐與鋼筋混凝土支撐的經(jīng)濟(jì)成本比為(5 000+800(n+1))/(2 500(n+1))。

圖10 雙H型鋼支撐與鋼筋混凝土支撐的經(jīng)濟(jì)成本比

目前關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)碳排放計(jì)算多采用基于LCA(生命周期)統(tǒng)計(jì)方法和基于I-O(投入產(chǎn)出)統(tǒng)計(jì)方法,其中基于投入產(chǎn)出的統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算簡便,計(jì)算方法直觀,而基于生命周期的統(tǒng)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)更為全面,包含了開采、運(yùn)輸?shù)冗^程的碳排放,結(jié)果相對真實(shí),因此本次碳排放計(jì)算采用基于生命周期的統(tǒng)計(jì)方法。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究成果可知,每噸混凝土碳排放量為0.14 t;根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究成果可知,每噸鋼材碳排放量為2.11 t;根據(jù)文獻(xiàn)[10]的研究成果可知,每噸鋼筋的碳排放量為1.87 t。如果支撐使用n次,可以計(jì)算出裝配式雙H型鋼支撐和鋼筋混凝土支撐的碳排放量分別為1.14 (t/m)和0.59n(t/m),裝配式雙H型鋼支撐與鋼筋混凝土支撐的碳排放量比例關(guān)系為1.14/(0.59(n+1)),繪制成曲線如圖11所示。

圖11 雙H型鋼支撐相比鋼筋混凝土支撐的碳排放量比

因此,在重復(fù)使用5次的條件下,裝配式雙H型鋼支撐與鋼筋混凝土支撐相比,可節(jié)約35%的經(jīng)濟(jì)成本,同時(shí)可以減少68%的碳排放量。

5 結(jié)語

提出了一種適用于地鐵車站工程的裝配式雙H型鋼支撐,進(jìn)行了支撐截面和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),并將此種裝配式雙H型鋼支撐應(yīng)用于地下車站深基坑工程中。

采用ABAQUS軟件分別建立了裝配式雙H型鋼支撐和支撐拼接節(jié)點(diǎn)的有限元模型,并開展了支撐軸壓和節(jié)點(diǎn)受彎數(shù)值模擬。結(jié)果表明:在軸壓作用下,雙H型鋼支撐繞實(shí)軸和虛軸的穩(wěn)定承載力分別為規(guī)范計(jì)算承載力的1.62倍和1.58倍;在彎矩作用下,雙H型鋼支撐拼接節(jié)點(diǎn)屈服彎矩和極限彎矩分別是雙H型鋼支撐彎矩設(shè)計(jì)值的1.58倍和1.93倍。

在重復(fù)使用5次的條件下,裝配式雙H型鋼支撐鋼筋與混凝土支撐相比,可節(jié)約35%的經(jīng)濟(jì)成本,同時(shí)可以減少68%的碳排放量。