STS新管幕构件抗弯性能试验研究及数值模拟

贾鹏蛟，赵文，关永平，李慎刚，韩健勇，侯文峪，王超，刘云安



STS新管幕构件抗弯性能试验研究及数值模拟

贾鹏蛟1，赵文1，关永平2，李慎刚1，韩健勇1，侯文峪1，王超1，刘云安1

(1. 东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳，110819；2. 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津，300142)

基于2榀STS(Steel Tube Slab)新管幕构件的抗弯试验，研究STS新管幕构件的破坏形态及受力机制。为充分研究支护参数对新管幕构件抗弯性能的影响，运用ABAQUS建立STS新管幕构件的有限元模型。以此模型为依据，分析钢管厚度、翼缘板厚度、螺栓直径、混凝土强度、钢管间距、翼缘板焊接等参数对新管幕构件抗弯性能的影响规律。研究结果表明：钢管厚度、翼缘板厚度、螺栓直径和混凝土强度对构件的极限承载力影响不明显；钢管间距改变对构件的极限承载力影响较大；下翼缘板焊接对构件的极限承载力影响极大。研究结果可为新管幕结构的应用提供理论依据。

新管幕构件；抗弯性能；数值模拟；延性；破坏模式

STS(steel tube slab)新管幕工法是一种新型的浅埋暗挖地下施工技术，它是采用翼缘板和螺栓将若干个钢管拼装在一起，并在钢管内侧和相邻钢管连接处浇筑混凝土，形成一个共同受力的临时支护结构。STS新管幕工法施工在管幕结构的保护下，工程安全性和结构可靠性都大大提高。在修筑地铁时，相比较与传统的浅埋暗挖法，它不仅能够降低对既有建筑物的影响、减小地层变形等技术难题，而且针对浅埋地层的大断面地下结构也可采用全断面暗挖法施工[1−4]。因此，STS新管幕工法具有广阔的应用前景。自20世纪70年代，利用密集排布大直径顶管为基础建造大断面地下空间的技术被提出后，COLLE等[5−7]对管幕进行理论和试验研究。JIN等[8]对钢管混凝土受弯构件进行数值模拟，并对不同参数进行了对比分析，提出了钢管混凝土构件的计算方法。ELLOBODY等[9]利用ABAQUS分析钢管混凝土在改变混凝土强度和钢管径厚比时承载力的变化。在圆形钢管混凝土构件抗弯承载力方面许多学者也进行了有关试验研究[10−13]。但目前国内外对STS新管幕构件的研究相对较少，鉴于此，本文作者基于2榀STS新管幕构件的室内试验和数值模拟，揭示了新管幕构件的破坏形态及受力机制，并分析钢管厚度、翼缘板厚度、螺栓直径、混凝土强度、钢管间距、翼缘板焊接等参数变化对新管幕构件抗弯性能的影响，找出影响新管幕构件受力性能的主要因素，为以后的相关试验研究和工程计算提供参考及依据。

1 工程及试验概况

1.1 工程概况

沈阳地铁某车站为14 m岛式站台，车站总长150 m，两端为明挖3层，中间段为暗挖3层双柱3跨断面，长度为80.8 m，结构净宽22.9 m，高21.24 m，底板埋深约24.5 m，覆土约3.0 m，见图1。其中暗挖段采用STS新管幕结构作为主体结构施工阶段的临时支护体系，在永久支护结构形成之前主要由STS新管幕结构承受覆土压力及路面荷载，其受力特性和破坏模式是暗挖段主体结构设计的重要环节。