1、某地铁车辆段柱式检查坑支墩结构侧向变形限值探讨摘要：目前我国已建成或在建地铁工程车辆段检修库一般设置成混凝土支墩式检查坑，而支墩结构的侧向刚度目前尚无规范对其进行规定和要求。本文通过对框架和剪力墙变形分析，对比分析了混凝土支墩变形特点，提出了混凝土支墩刚度及变形限值建议。 关键词：地铁车辆段；支墩结构；侧向刚度 DISCUSSING OF TRASSFORMATION LIMITS OF THE PILLAR STRUCTURE IN THE METRO-DEPOT Wang Chun-li，Jing si-nan (The Third Railway Survey and Design In
2、stitute Group Corporation Tianjin 300251, China) Abstract: Recently, there are not specified requirements to limit the profile rigidity of the pillar structure made of concrete in the metro-depot which has been built or is building in our country. This article provides advice on the profile rigidity
3、 and transformation specified requirements of the pillar structure by analyzing and contrast the transformation characteristic between the frame and shear wall. Key words: metro-depot, pillar structure, profile rigidity 中图分类号： TU74 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013） 0引言 目前我国已建成或在建地铁工程车辆段运用库一般按每股道 2 列位尽端式布
4、置车辆停放和周、月检，为了车辆技术检查作业方便，我们习惯性设置成全柱式检查坑。本文工程由于受到限界限制，柱支墩截面采用 200x300mm 钢筋混凝土柱，横向设 300x200mm 钢筋混凝土梁，从而形成门式支撑。检查坑内净距 1100mm，外尺寸 1500mm。按 0.913m 及1.826m 布置柱位。局部设置 2400mm 短轨枕。一般坑深 1.4m（如下图示） 。1混凝土支墩结构的侧向刚度目前尚无规范对其进行规定和要求 民用建筑结构中对结构和构件的侧向刚度有明确规定，如：高层建筑混凝土结构技术规程 （JGJ3-2010）中 3.7.3 条（抗震设计规范也有相同的要求） 。 规范规定此限
5、值目的是在侧向力作用下，防止填充墙和混凝土构件开裂破坏。这条规定针对的对象是结构整体，而非构件，车辆段检查坑内支墩混凝土柱套用这条规定，可能会存在问题，本文为此进行初步分析与探讨。下图为高规对结构变形规定限值： 2对于框架结构，在侧向力作用情况下，框架梁柱的变形主要是剪切变形，剪力墙的变形主要是弯曲变形，框架剪力墙变形介于上述两者之间。 框架结构剪切变形 剪力墙结构弯曲变形 框架结构框架柱变形中存在一个反弯点，弯矩在该层框架柱反弯点处为零；而剪力墙类似于竖向的一个悬臂构件，属于弯曲变形。上述变形图针对的是整体结构，对于单独构件而言可以简化成下面受力简图。 剪切模式受力简图 1 弯曲模式受力简图
6、 2 3分析混凝土独立柱在两种简图模式下的效应： 由于车辆及检修要求限制，假设混凝土支墩截面尺寸 200x300mm 对混凝土独立柱进行受力分析，两种简图模式下柱顶的侧向位移为10mm。 从计算结果可知，当考虑混凝土的脆性，在混凝土构件变形过大时，结果的差别非常大，弯矩及柱底剪力会相差一倍。说明在变形过大时，实际上混凝土构件已经损伤了，刚度降低，内力也会产生变化。这一现象在 2010 版建筑抗震设计规范有明确要求，明确在混凝土构件变形过大时，要考虑截面刚度的折减。 混凝土独立柱转角-弯矩曲线（考虑混凝土脆性在横坐标 0.00025 之前，两条曲线的斜率相同，说明此时混凝土柱截面处于弹性阶段，在
7、0.00025 之后，曲线出现拐点，斜率降低，说明混凝土柱出现脆性，刚度降低。 当柱顶位移都在 10mm 时，简图 1 的转角可以达到 0.002，而简图 2的转角仅达到 0.001，说明剪切变形混凝土柱的变形性能要比弯曲变形更大。 混凝土柱受力工况下裂缝开展情况： 简图 1 简图 2 两种简图在柱顶侧向位移均为 3.4mm 时，裂缝分布的形态是不同的。左侧图的裂缝主要集中在柱底左侧和柱顶右侧区域，由于柱身存在反弯点，在柱端处弯矩的变化率大，因此裂缝主要集中在柱端，并且裂缝开展的也比较大。 右侧图弯矩变化率沿整个柱身变化很小，因此裂缝沿柱受拉区分布开展的比较均匀，呈水平状微小裂缝。 4侧向位移
8、限值的探讨： 该地铁运用库混凝土支墩结构的受力情况，比较接近于简图 2，虽然柱顶处存在 F 型导轨的连接，但 F 型导轨的抗弯刚度过于弱，近似不考虑它的有利作用。 对支墩侧向位移的限制，有三种看法： 如果将混凝土立柱视为竖向的悬臂构件，可以采用悬臂梁的梁端挠度限值来限制柱顶的侧向位移。但混凝土设计规范对悬臂构件的要求是采用挠度和裂缝进行“双控” ，这样一般能够保证截面高度和受拉区钢筋的配置不会过少。如果仅采用挠度一项限值来控制，会产生问题。 将混凝土支墩视作悬臂构件也存在两点疑虑，支墩配筋形式主要还是按照柱配筋构造进行配置，而非按照梁的配筋构造；当出现制动情况时，列车自重是作用在支墩上的，所以
9、支墩其实是压弯构件而非纯弯构件。 将混凝土支墩视为结构中的立柱，套用前面层间位移角的限值来限制支墩的侧向位移。混凝土设计规范对结构立柱主要是提出了层间位移角的控制，这个控制限值要比悬臂梁的控制限值严格，即“单控” 。目的是通过加大控制限值省去其他额外计算来简化并确保柱的截面和配筋量不至于过少。 通过前面的计算可以发现，简图 1 是多次超静定结构，而简图 2 是静定结构，简图 1 的塑性发展区域主要集中在柱端，而且又是超静定结构，其变形能力要强于简图 2，后者的塑性发展区域分布的比较广。所以规范对于框架结构的层间位移角要求是比剪力墙结构的要求适当放宽的。从上面分析来类比，混凝土支墩的柱顶侧向位移
10、限值是应该满足简图 2 的层间位移角要求即 1/1000，这个限值可能过于严格，经本文分析认为至少要满足 1/550，尽量能达到 1/800 为宜。 由于有地铁列车荷载，我们还对比分析了铁路桥涵基本设计规范墩顶的侧移限值。铁路桥涵针对的是大尺度桥墩进行规定，对于小尺度支墩而言并不合适，故未按铁路桥涵基本设计规范要求进行计算。 作者简介：王春丽（1963-） ，女，高级工程师，国家一级注册结构工程师，城交分院副总工程师；井司南（1984-） ，男，工程师。 参考文献： 1.Release 10.0 Documentation for ANSYS, 2007 2.W. F. Chen, Plast
11、icity in Reinforced Concrete, 1982 3.高层建筑混凝土结构技术规程 （JGJ3-2010）中华人民共和国住房与城乡建设部,2011 4.地铁设计规范(GB50157-2003).中华人民共和国建设部,2003 5.David G.Luenberger etc, Linear and Nonlinear Programming, Third Edition, Springer, 2007 6. (美)陈惠发，弹性与塑性力学. 中国建筑工业出版社，2004 7.(美）陈惠发，混凝土和土的本构方程. 中国建筑工业出版社，2004 8.(德)F.莱昂哈特著，胡贤章译，钢筋混凝土结构裂缝与变形验算，水利电力出版社，1983 9.董振祥.用有限元方法研究钢筋混凝土梁的非线性性能.同济大学学报，1981 10.朱伯龙，董振祥.钢筋混凝土非线性分析.上海：同济大学出版社，1985
