地鐵結構設計時要思考的幾點

2016-09-02 by:CAE仿真在線來源:互聯網

地鐵是長條型的建筑物,沿線地下、地上情況通常比較復雜,高樓大廈、地下管線、市政設施及地面交通等周邊環(huán)境都制約了結構設計,并對結構提出了很高的要求,地鐵結構設計不但是一項責任大、任務重的工作,而且是一項需要埋頭苦干、潛心鉆研,來不得一絲馬虎的工作。

怎樣在滿足周邊環(huán)境要求和地鐵自身需要的情況下充分發(fā)揮主觀能動性?對結構設計本身來說,怎樣結合計算、經驗及實測成果為自己的設計服務?面對日益緊張的工期及越來越高的質量要求,怎樣提高自己的設計效率和設計質量?,都應是值得思考的問題。以下結合自身的工作實踐及相關資料談談對地鐵結構設計的幾點認識。

1.地鐵結構設計的特點

地鐵結構不同于一般的民用建筑結構,其特點包括具有很高的重要性和安全性、地域性強、投資規(guī)模巨大、涉及專業(yè)面廣、與市政管線部門協調多、工期長、周邊環(huán)境復雜等,結構設計是在充分研究其特點和要求的前提下進行的。

1.1地鐵結構百年大計

地鐵是城市交通的主動脈,是建成后不允許中斷和大規(guī)模維修的重要建筑,其通常埋設于地下,其重要性決定了主體結構及內部主要構件使用年限為100年。這就在設計中,對結構的耐久性、可靠性、人防提出了很高的要求,在耐久性設計方面包括較高的強度要求、嚴格的變形及裂縫控制要求、不滲不漏的一級防水要求、嚴格的材料質量控制和施工工藝要求。在可靠性方面提出了較高的結構安全性要求,設計中在荷載乘了分項系數后通常再給予適當的增大調整,結構設計充分考慮了偶然荷載的作用,包括地震荷載、人防荷載等。地鐵的人防設計通?？紤]能承受核武器的。

1.2周邊環(huán)境高度復雜

地鐵所選擇的路由不是目前繁華地區(qū)就是規(guī)劃的城市熱點地區(qū),這就決定了地鐵周邊的環(huán)境高度復雜。周邊環(huán)境包括既有建筑物(住宅樓、辦公樓、商業(yè)設施、過街天橋等)、地下構筑物(地下通道、地下街、涵洞、橋梁及房屋基礎等)、地下管線(雨水管、污水管、上水管、天然氣管道、電力方溝、電信、電視、電話電纜等)、地上電力線路(電塔、高壓電線等)、古建文物(歷代帝王廟宇牌樓、古代建構筑物等)、河流湖潭(人工河、公園湖潭、天然江湖等),以上都是影響結構設計的因素,設計的結構應以不影響或少影響既有設施為原則,同時對于近接情況應給出充分的安全保護措施。對于城市郊區(qū)則應配合規(guī)劃及管線部門,給將來的地下、地上設施預留足夠的實施空間和接口。周邊環(huán)境的復雜性在某種程度上是制約車站標準化的重要因素,也是車站和區(qū)間建構筑物為適應環(huán)境而導致做法各異的原因。

1.3巖土及地下工程具有明顯的地域性、經驗性及多變性

我國目前在建和將建地鐵的城市主要為特大城市,分布在東西南北不同地區(qū),城市之間的地質與水文地質情況千差萬別。比如北京和上海,北京地質以砂性土為主,地下水位低,地質情況相對良好;上海則以粘性土為主,地下水位高,地層軟弱,地質情況較差。這樣明顯的地質差異同樣發(fā)生在其他城市,可見地域性是地鐵結構設計必須考慮的因素。巖土及地下工程同時也是經驗性非常強的領域,對于圍護結構設計來講有的城市習慣用樁、有的城市習慣用土釘,除去地質因素以外,經驗與習慣也應在設計中值得尊重和參考。地鐵工程的復雜性主要體現在城市地質的復雜性上,同一城市不同區(qū)域、甚至是同一站位的不同位置都存在地質發(fā)展較大變化的情況,設計中除參考相關經驗外,更應結合具體地質情況進行具體設計。

1.4安全性要求高

除了從結構使用年限及可靠性方面的考慮,應提高結構的安全性以外。其周邊環(huán)境、社會影響、事故危害、造成的經濟損失也是要求結構提高安全性的重要方面。

1.5建設投資巨大

我國地鐵在上世紀末以前,基本不考慮和不批準建設,其中一個重要原因是其投資額巨大,當時的國力難以支付,平均每公里4~8億元,一條地鐵線路動輒投資上百億。土建造價約占總造價的50%,與結構設計有關的覆土厚度、結構尺寸及施工方案優(yōu)化等都直接關系地鐵投資規(guī)模。

1.6專業(yè)間及與施工方配合多

結構專業(yè)是地鐵設計的下游專業(yè),應在規(guī)劃、線路、建筑、設備、周邊環(huán)境基本穩(wěn)定的前提下開展工作,而往往結構出圖工期要求緊,這樣就必須與其他專業(yè)多溝通、多配合。土建是地鐵施工的重頭戲,其工期長、周邊環(huán)境變化多,施工過程中技術交底、現場驗收、設計變更、工程洽商、多方會議等都離不開結構設計人員的參與,后期配合異常繁雜。

2.結構設計中需準備和搜集的資料

結構設計在外表上是一張張的CAD圖紙,似乎只要掌握了CAD與幾個計算軟件就可以穩(wěn)操勝券了,事實上在正式畫CAD圖之前,需充分準備、詳細調查,認真研究和分析各種相關資料,否則可能會造成返工和較大設計變更。

2.1周邊環(huán)境資料

周邊環(huán)境資料是結構設計方案可靠、可實施的基礎,某市地鐵設計中曾出現結構底板冒出地面、主體侵入規(guī)劃建筑車庫的例子,究其原因是前期調查工作不夠仔細。一根重力流管道的漏查,可能導致結構覆土發(fā)生較大變化,周邊重要建筑調查深度不夠可能會導致保護措施不到位。

2.2進行多方案比選

只有比較才能知道誰優(yōu)誰劣和誰最優(yōu)。通常要對某一建筑方案列出所有可能的結構設計思路,然后逐一排查,對最終的幾個可行方案再進行經濟、工期比選。

2.3研究分析類似結構設計實例

一個人能直接參與的工程實例畢竟是有限的,其涉及的結構形式與種類也不一定全面,對于自己從沒干過的新項目,就是要多調查研究相似工程實例,只有掌握了目前國際、國內的通用做法,在設計中才能做到應付自如。

3.結構計算是驗證、是手段,不應是設計的最終

結構計算是結構設計過程中一個不可或缺的過程,也是進行結構設計的必要手段,是對設計的有效的定性或定量化驗證,當設計經驗不足時計算就會變的較為重要。目前的計算軟件分兩種,一種是國內的實用簡易計算軟件,如同濟啟明星、理正等,其嚴格依據計算規(guī)則與規(guī)范編制,是定量計算的實用工具;另一種是“無所不能”的國外大型通用軟件如ansys、marc等,其通用性決定了其計算模式、公式、參數可選擇性多,不涉及具體規(guī)范,設計中只能依據規(guī)范和經驗選擇合理的計算參數,是對復雜結構進行定性分析的工具。定量軟件能較準確的計算出結構所需的數值, 定性軟件只能給出趨勢和規(guī)律,雖也有結果但其可靠性較差,需要進行修正。計算過程應包括計算前的準確建模、參數選定,對計算軟件內核和計算過程的了解,以及根據經驗和具體規(guī)定對計算結果的修正,這樣才可以用于設計,否則可能產生較大誤差,甚至是誤導。

當然計算結果尚應經受現場實踐的驗證與支持,盾構隧道并行與上下疊落哪種布置方式對周邊建筑物影響較大,上下疊落隧道先開挖上還是先開挖下對周邊影響大等,雖然都可以在計算中進行模擬,但在具體實踐中還需要進一步參照具體工藝、具體環(huán)境和現場監(jiān)測情況進行驗證。

4.結構設計應善于參考和積累

對于一個城市,多深的覆土需要多大的結構尺寸。在眾多工況中,哪種荷載組合是控制結構設計的等,都需要日常的積累和總結。在力學概念不足的情況下,通過日常的計算積累也可以獲得有益的補充,比如在結構計算中結構尺寸、剛域、混凝土強度、約束情況、單元劃分、地層結構作用模式、側向土壓力系數、結構荷載等諸多因素,其某一因素的變化對結構計算有什么影響,多因素變化對結構計算有什么影響,哪些是有利的,哪些是不利的,哪些影響劇烈,哪些影響輕微等,都可以在長期的設計過程中總結出來。

沒有時間總結與積累就等于沒有時間去提高自己,總是犯同樣的錯誤是不可原諒的,總是從頭開始也是不能接受的。

5.現場經驗和實測成果能提高自己的設計信心

沒有參加過現場實踐,沒有相關研究成果,特別是在自己缺少對實物的感性認識時,往往會造成設計不足或設計浪費,很難達到恰到好處、經濟合理的程度。對于基坑工程來講,怎樣的支護算是足夠,怎樣的支護算是滿足,怎樣的支護算是可靠且經濟的,需要現場經驗與實測數據來支持。在基坑標準化的研究過程中,曾發(fā)現了很多對類似基坑相差很大的支護措施,之所以出現上述情況就是對巖土的性能把握不準。

因此,在今后的設計中,多去現場配合,多去搜集一手實測資料,是提高設計水平,增強設計信心的必要途徑。

6.應盡量引進標準化成果及采用“參數法”繪圖

地鐵結構設計由于其具有明顯的地域特性和復雜性,在加上其朝陽行業(yè)的性質,規(guī)范、標準較少。很多時候,設計有些混亂,不大統一,對于同一類型的結構有的需用數張圖紙才能交代清楚,有的則用一張圖紙就能表達明了,我們應去學習用少量的勞動獲得最大收益的方法和成果。對于一些應當和易于統一和標準的設計進行標準化,是提高整體設計水平和效率的有效途徑。

“參數法”繪圖,實際上的工作量主要是計算,它能使圖紙數量最少化,在施工過程中只要根據結構尺寸和相關已知條件就能對應查到配筋、尺寸、數量等參數,在圖紙審核中只要對計算流程、計算思路進行審查就能達到復核的目的。多方受益的繪圖方式,應當值得推廣。

7.設計需要細心和耐心

地鐵結構設計是一項既苦又累,且風險較大的工作,稍有不慎就可能導致無法施工或不好施工,甚至會出安全事故,因此,從事結構設計的人員從計算到布筋再到繪出一張張藍圖,事事都要細心。同時,設計過程中,因為各種各樣的原因會造成繁多的變更,有專業(yè)間的因素,也有現場環(huán)境變化的因素,設計過程中甚至是在出圖后至施工完畢期間,都會進行一系列的改動,甚至是顛覆性的重做,這就要求設計人員要具有足夠的耐心。

設計需要細心和耐心,細到直徑幾公分的孔洞都要準確標注,并能不厭其煩的核對、修改再修改。

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