预制装配地铁车站支吊架竖向连接双向容错支座设计_赖鹏邦.pdf
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1、预制装配式结构可提高施工效率以及结构抗震与耐久性能。目前,国内地铁车站中开始使用预制装配结构。支吊架的预埋套筒连接可避免后锚固易损伤混凝土、锚固质量不易控制等问题,其容错设计是该技术应用的关键。为此,首先提出了一种与预埋套筒及下部竖向支吊架构件连接的双向容错支座的结构形式,该支座包括与预埋套筒连接的n形板及与下部竖向构件连接的顶座,通过在n形板顶板分别设置两个方向长孔实现双向容错;其次,提出了该支座的有限元建模方法,分析了设计荷载下支座的应力分布及变形性能,研究了该支座的安全储备及套筒预埋误差对其变形性能影响;最后,通过试验分别研究了支座三个方向的承载能力和变形性能。研究表明,提出的预制装配地
2、铁车站支吊架竖向连接双向容错支座满足其设计荷载下的应力及变形需求,且具有较好的安全储备。关键词 装配式结构,支吊架,支座,容错Design of Vertical Bi-Directional Position Error Tolerant Support of Prefabricated Metro Station Supports and HangersLAI Pengbang1 LI Jihong2 HU Fangxin2 HOU Shuang2,*(1.Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 51
3、0010,China;2.School of Civil Engineering&Transportation of South China University of Technology,Guangzhou 510641,China)Abstract The pre-fabricated structure can improve construction efficiency and structural seismic and durability performance.At present,pre-fabricated structures have been used i
4、n domestic metro stations.The pre-embedded sleeve connection of the support and hanger can avoid problems caused by post anchoring such as damage to concrete and difficult control of anchoring quality,and its position error tolerant design is the key to the application of this technology.Therefore,t
5、his paper first proposed a structural form of bi-directional position error tolerant support connecting the pre-embedded sleeve and the lower vertical support hanger member.The support consists of a n-shaped plate connected with the pre-embedded sleeve and a top seat connected with the lower vertica
6、l member.Bi-directional position error tolerance can be achieved by setting long bolt holes in two directions in the support;Secondly,the finite element model with the given support mechanical parameter is established to analyze the stress distribution and deformation performance of the bearing unde
7、r the design load,and the safety reserve of the support and the influence of the pre-embedded error of the sleeve on its deformation performance is studied;Finally,the bearing capacity and deformation performance of the support in three directions are studied through experiments,and the results show
8、 that the 收稿日期:2022-03-11基金项目:国家自然科学基金(51978284)作者简介:赖鹏邦(1983-),男,高级工程师,从事地铁结构设计。E-mail:*联系作者:侯 爽(1977-),男,教授,博导,从事工程结构抗震及监测。E-mail:DOI:10.15935/ki.jggcs.2023.01.023 试验研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期vertical connection bi-directional position error tolerant support of the pre-fabricated metro station supports
9、and hangers proposed in this paper can meet the stress and deformation requirements of the design load,and has a good safety reserve.Keywords pre-fabricated structure,supports and hangers,support,position error tolerant0 引 言 随着我国建筑工业化发展,预制装配式结构大量应用在建筑行业中。预制构件运用工厂标准化生产的方式,极大减小现场作业量,提高施工效率,显著降低环境污染与材料
10、损耗1。由于预制构件质量更加可靠,预制装配式结构具有更好的耐久性2。地铁车站结构复杂,体量巨大,通常为封闭桶状结构。预制装配式地铁车站施工工艺研究仍处于起步阶段,通常将结构纵、横向切割为多个标准单元再进行拼装,相关研究聚焦于预制构件及其装配精度、预埋件定位、预制构件拼接速度等问题。目前,装配式施工仅应用于长春地铁2号线和北京地铁6号线的地铁车站等少数地铁线路。地铁车站大量管道通过支吊架悬固定于楼板下方,传统现浇混凝土地铁车站中的支吊架通过锚栓固定。锚栓钻孔对混凝土造成潜在损伤,进而降低锚栓的承载力3-6。不论机械锚栓还是化学锚栓,其锚固质量不易控制,且高温及火灾会直接导致其粘结力丧失7-10。
11、相较于预埋连接,锚栓后锚固连接破坏形态多样复杂,失效概率大11。为避免上述后锚固引发的问题,预制装配地铁车站支吊架可采用预埋套筒固定,其容错设计则是该应用的关键。本文提出了一种与预埋套筒及下部竖向支吊架构件连接的水平双向容错支座设计方法,该支座结构包括与预埋套筒连接的n形板及与下部竖向构件连接的顶座,通过在n形板顶板设置两个方向长孔实现双向容错;通过有限元方法验算了设计荷载下给定结构参数的支座应力水平及变形水平及套筒预埋误差影响,并通过结构加载试验验证了本设计的有效性。1 支座结构及设计条件 考虑混凝土楼板中套筒水平双向2 cm预埋误差对支吊架竖向构件支座进行设计,本文支座连接的竖向构件为 C
12、 形槽钢。支座结构形式如图1所示,包括n形板和顶座两部分,顶座由顶板和C形槽组成。该容错支座坐标系y轴为竖向,x和z轴为两个水平向,分别指向下部槽钢的强轴和弱轴。n形板布置三个槽孔以满足水平双向容错需求,两侧设置加劲肋以增强其绕z轴刚度。n形板、顶座顶板厚度分别为8 mm、10 mm,顶座C形槽厚度为4 mm。锚固螺栓通过n形板顶部长圆孔与上部混凝土楼板中预埋套筒连接,实现x方向容错;连接螺栓通过n形板两侧槽孔与下方顶座顶板两侧圆孔连接,实现z向容错;顶座C形槽侧面蝶形孔用于连接竖向的槽钢构件。支座的截面尺寸如图2所示,n形板及顶座钢材屈服强度为235 MPa。支座反力设计值分别为 Fx=3.
13、1 kN、Fy=-15 kN 和 Fz=8.9 kN。由支吊架中管道容许变形确定支座的竖向变形容许值为7.5 mm。2 支座性能有限元分析 采用通用有限元软件 ABAQUS 分析该双向容错支座的受力性能,其有限元模型如图3所示。该模型中混凝土楼板为C3D8R实体单元,混凝土弹性模量和泊松比分别取 30 GPa和 0.2,网格尺寸取10 mm;n型板、顶座、与顶座连接的竖向槽钢(竖杆)均为S4R壳单元,钢材采用弹塑性本构,弹图1支吊架容错支座设计Fig.1Design of position error tolerant support of supports and hangers117Str
14、uctural Engineers Vol.39,No.1 Experiment Study模及泊松比分别取206 GPa和0.3。n形板、顶座和竖向槽钢最小网格尺寸分别为2 mm、2 mm和4 mm。竖向槽钢超出顶座内C形槽10 cm。连接螺栓和锁扣均采用B31梁单元,其本构为弹塑性本构,网格尺寸为0.8 mm。模拟双向预埋误差最大时支座受力状况,将n形板顶面一端槽孔固定于混凝土楼板,并将锚固点与锚固螺栓螺帽覆盖的 n 形板槽孔边缘耦合,由此模拟锚固螺栓紧固作用;顶座顶板圆孔与n形板两侧槽孔的一端同心放置,并将连接螺栓两端分别与连接螺栓螺帽覆盖的 n 形板槽孔边缘、顶板圆孔区域耦合,由此模拟
15、连接螺栓的紧固作用。混凝土板上表面为固定端,n形板顶面与混凝土板底面、n形板两侧底面与顶板顶面、顶座C形槽内表面与竖杆槽钢外表面之间都定义为法向硬接触、切向摩擦滑移,摩擦系数取0.4。支座荷载等效施加于竖向槽钢底端,由于在结构分析中将支座假定为固定铰支座,等效荷载处分别施加Mx=-0.82 kN m和Mz=2.36 kN m的弯矩以抵消等效水平荷载 Fz和 Fx对支座产生的弯矩。x向和z向的预埋误差分别取2 cm和-2 cm时支座竖向位移最大,此时应力分布及屈服单元位置如图4所示。由图可知,锚固螺栓、连接螺栓、锁扣等连接件及顶座C形槽开口侧与顶板连接处存在应力集中,少数单元屈服,其他区域应力分
16、布比较均匀,应力水平较低。由此,在设计荷载下,考虑最不利预埋误差的支座整体应力水平较低,应力集中区域小,并且能够将支座的屈服区域控制在较小的范围,能够满足受力条件。图5为支座荷载各分量等比例增量加载至设计荷载2倍时支座竖向荷载与顶座底部竖向位移关系曲线。加载至支座设计荷载时(Fy=-15 kN)时,支座的竖向位移为1.05 mm,仅达到支座竖向变形容许值的14%。此时,支座的荷载位移曲线基本呈线性,连接件与支座连接处的应力集中区图2支吊架容错支座截面尺寸(单位:mm)Fig.2The section size of position error tolerant support of supp
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