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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；Astudyforsemi-rigidconnectionofY-shapedcolumnsusedinundergroundstructureBeijingGeneralMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Chenhe,Xuerujing,GengyunAbstract:UsingY-shapedcolumnsindesigncouldincreasethespecialspanandenhancethebeautyofarchitecture.However,asloadsappliedtotheundergroundstructurearelarge,theY-shapedcolumnsusedforsuchstructureswiththelargespanandheadroomhavetobearlargerloadsthannormal.TakingXinhuaStreetStationasanexample,bycombiningnumericalmodelingwithactuallymeasureddata,thisarticleanalyzedthemechanicalcharacteristicsofthesemi-rigidconnectionbetweentheupperforkstructureandtheroof,andprovidedacalculationbasisforsimilarprojectsinfuture.Keywords:Y-shapedcolumns,Undergroundstructure,Semi-rigidconnection1.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Ｙ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Ｙ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2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，在以承受竖向及水平向水土压力的地下结构中实属罕见。2.1Y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，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)φ(°)K0基床系数(MPa/m)水平垂直①房渣土2-820.008②粉土3.519.914320.432020②1粉质粘土2.019.525170.472024②粉土0.619.914320.432020④3粉细砂1.020.20320.394030④粘土0.418.834130.503530⑤细中砂7.120.20340.374030⑥粉质粘土1.819.431180.404030⑥2粉土0.919.511320.435031⑥粉质粘土1.219.431180.404030⑦细中砂12-720.20330.3545403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体结构承担。4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3.2Y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。5图5Y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Ｙ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。3.4Y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。xyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyzxyz6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%、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718-209-184-128-723995151207-17-136-107-81-57-367165574633-185622816810949-71-130-190-217223852637227-39-76-115-156-258123717611453-70-131-193-220173550627246-31-73-118-1650%20%40%-289524318011855-70-132-194-222153348627257-27-72-120-170-3110424618312057-69-132-195-224133248617264-24-71-121-173-3211024818512158-69-133-196-22512314761726925-71-122-17660%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186320522133218722142232Y型柱分叉平均弯矩1583334775546086397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Ⅱ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)3.522.12610.91712.30918.3333.284.98320.12512.410.42419.8171.6126.46718.13713.8838.57521.307.9516.1715.3676.7649.43314.22616.854.998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8计算结果如图10233226342779279127643176347235113478319626242730348740344372444748304970497248904533384227621235-3543-6960-11054-131811445713501115169852849174326679623379966934478128261064-806-1644-2413-3115-375018701250472-1560-2815-2815-2837-3281-4014-5036-6347-6911-7684-8667-9858-103819498758743451609-2454-3927-4995-5604-5723-5694-5209-4093-2901-3480-3735-3750-3690-3342-2688-1726-4187-4962-5541-5926-5926-5777-5537-5210-4799-4312115-113-10610713501263844336-687-1202-1718-2237-2470714-390-945-1502-2062-2624-2876227337444548649-228-344-461-580-701-214-324-434-547-661212314413509603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