CC BY
29
_Геотехнология_
УДК 624.191.8.042/.044
ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОЙ НАГРУЗКИ НА КОЛОННУЮ СТАНЦИЮ МЕТРОПОЛИТЕНА
А.Л. Тютькин
Приведены результаты численного анализа методом конечных элементов случаев приложения подвижной нагрузки при ее воздействии на колонную станцию метрополитена мелкого заложения.
Ключевые слова: колонная станция, мелкое заложение, подвижная нагрузка, напряженно-деформированное состояние.
Рост пассажиропотоков, увеличение дальности перемещений, необходимость сокращения времени на поездки требуют повышения скорости сообщения с одновременным обеспечением надежности, безопасности и комфортности пассажирских перевозок. В условиях мегаполиса, когда необходимо обеспечить сохранение застройки и объектов, которые представляют собой историческую ценность, эти транспортные проблемы решаются с помощью использования подземных линий метрополитена [1,2]. Большинство же перспективных линий в таких городах проектируют на мелком заложении, которое имеет значительные преимущества по сравнению с глубоким. Во многих городах, где строительство метро началось сравнительно недавно, линии расположены исключительно на мелком заложении.
Исходя из многолетнего опыта эксплуатации линий метрополитена мелкого заложения, можно свидетельствовать, что они более удобны для пассажиров, чем линии глубокого [3, 4]. Например, прямые затраты на строительство таких линий в два раза меньше, чем линии глубокого заложения [4, 5]. Существенно отличаются и трудозатраты на сооружение 1 п.м. перегонного тоннеля. Незначительная глубина заложения и наличие двух входов в станции экономят время движения пассажиру от входа к посадочной платформе.
Целью данной работы является исследование станции колонного типа мелкого заложения при разных вариантах ее пересечения подвижной нагрузкой, что является актуальным вопросом в современных условиях.
В существующих статических расчетах конструкция колонной станции приводится к плоским расчетным схемам. Но если в обделке од-носводчатой станции в ее статическую работу по длине не вступают другие элементы, то такая замена правомерна, а в данном типе станции такая замена некорректна, так как система «колонны - прогон - тоннели» являются нерегулярной [6]. Поэтому разбивка нерегулярной конструкции ко-
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
лонной станции, которая сводится к двум плоским расчетным схемам (в месте прохода и в месте колонны), приводит к потере связи между частями конструкции [6].
Инженерные расчеты колонных станций мелкого заложения часто проводят на избранную единичную ширину (Ь=1 м вдоль оси станции). Такая замена приводит пространственную конструкцию к плоской расчетной схеме, но в случае колонной станции две плоские расчетные схемы, а также схема прогона, которая является попыткой связать эти две схемы, недостаточно отображают работу конструкции [6]. Плоские расчетные схемы разделяют средний, боковые тоннели, колонны, перемычки (прогоны) и продольные балки, которые работают совместно. В дальнейшем их рассчитывают в отрыве от реальной работы, так как взаимодействие между ними и обделками среднего и боковых тоннелей заменяют усилиями, которые передаются из них, что неточно отображает реальную работу станции.
Таким образом, постановка задачи в данной работе принимается однозначно-пространственной; исходные данные о сооружении и массиве - натурные и экспериментальные. Модель грунтового массива - вязко-упругопластическая, и именно это предположение является основным в попытке более полного отображения действительности в случае исследования ее МКЭ [6].Учет приведенных особенностей в пространственном расчете колонной станции, позволяет с большей точностью отразить работу такого сложного подземного сооружения и проводить более точные расчеты, результаты которых являются залогом его нормальной эксплуатации. Важнейшую роль в анализе напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «тоннельная конструкция - окружающий массив» играет исследование механизма работы, существования и взаимодействия двух частей этой системы. Разработанная конечно-элементная модель колонной станции мелкого заложения (рис. 1) позволила получить достаточный для анализа объем результатов.
Рис. 1. Модель колонной станции с окружающим грунтом
Конечно-элементная модель была загружена пятью комплексами нагрузок (рис. 2).Следует отметить, что пять положений нагрузок (нагрузки № 2 - 5), которые представляли собой приложение лишь колесной нагрузки НК-80, отличались от 1-й нагрузки - собственного веса модели. Такое разделение было введено для того, чтобы отделить влияние подвижной нагрузки НК-80 на НДС модели, так как при нагружении собственным весом картина нагрузок и перемещений смягчает ее влияние.
□
а
□ □
□
□
в
□
□
□
□
, 3x1,5
5,5
И-и □
[I
Г □
□ □
5,5
□и
О б~
0 о о о
р р
, 2,5
ЕГ
□
□
□
, 3x1.5
5,5
□
3-я ось
I
J
о о б о-I
□
о о <| < I
, 3x1.5
5,5
□
О.
Рис. 2. Схемы нагрузок модели: а - 2-я нагрузка; б - 3-я нагрузка; в - 4-я нагрузка; г - 5-я нагрузка
На рис. 3 приведены выборочные характерные результаты численных расчетов колонной станции (горизонтальные напряжения не приведены для экономии места).
При анализе НДС колонной станции следует определять не только экстремальные значения параметров напряжений и перемещений, но и проанализировать, как они распределяются. Это влияние распределения параметров НДС выражается в симметричной или асимметричной форме, причем явная асимметрия очень негативно влияет на работу колонной станции. Следует также проанализировать форму изолиний и изополей НДС модели и выявить его изменение от несимметричности приложения подвижной нагрузки. Следует отметить, что наибольшая асимметричность напряженного состояния наблюдается в случае 5-й нагрузки (рис. 4, а, б).
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3
Вертикальные напряжения
Вертикальные перемещения
Ш Перемещения г (... ^^
■ ■1и_1
II III В НИШИ ыг (т/м2) ЁЗ
■ГШ! Г И! ПИШИ ■ ни JJ
1 II 11.111 1Я1ншн
1 1Ы11Н11
111 1РШ1НПШ1 • ■ ИМ ¿т ■858,88 783,1
■РIII' Г И '111 ■783.1 707,32
ИД® шиш -631.54 555.76
шшпии -555.76 478,88
1111II -478.88 404,2
11Г1 11 п ПШНИН к и. \ \ \ ■ □□□с -328.42 252,64
ИГ 11' Г 1 1 1111 -252.64 176.86
П.О, и 1 лнш -178.88 101,08 25.3
1Н1Н1 им и 1У цианин -25,3 50,48
1Р1 А ¡Р1 11111 Управление шкалами]
П'1 г И 11111 ¡Закрыл] Применить! Сохранить)
И 11 111 ли
щ №
б
Рис.
Также следует отметить, что полученные значения напряжений в
2 2 5-й нагрузке больше, чем в 3-й и 4-й (28 кН/м в 5-й нагрузке и 24,9 кН/м в
3-й). Проанализированный выше эффект асимметричности параметров
НДС системы наиболее значительно проявился в перемещениях по оси Z в
верхнем перекрытии (например, наиболее четко выраженные в 5-ой
нагрузке). Наиболее асимметричная картина перемещений по оси Z в
верхнем перекрытии отмечена в 5-й нагрузке. Это можно объяснить тем,
что нагрузка, находясь практически над колонной № 3, вызывала наиболее
Перемещение
■ И и _1_1
- ш -0.33 0.31
□ -0.31 0.29
-0.29 0,27
-0.27 0,25
-0.25 0,22
-0.22 0,2
-0.2 0,18
-0.18 0,16
-0.16 0,14
-0.14 0,12
-0.12 0.03
КПЗ -0,09 0,07
-0.07 0.05
«Ж -0.05 0.03
Упраеление шкалами|
| Закрып| Применит ¡Сохранит
■ вилл Выкя.|
И ■ -0,38 -0,35
^ ■ -0.35 -0.33
И ■ -0.33 -0,31
^□•0.31 -0,29
0,29 -0,27
-0-27 -0.24
1 0.24 -0.22
жга -0.22 -0.2
►га -0,2 -0.18
кГО -0-18 -0,16
-0.16 -0.14
^□-0,14 -0,11
^□•0.11 -0.09
-0,07
Ц правление шкалами | |-Закрыть) Применить| Сохранить)
Перемещения 1 (.
3. Перемещение по оси 2 в верхнемперекрытии модели колонной станции:а - 1-я нагрузка; б - 4-я нагрузка; в - 5-я нагрузка
и _1_1
п и
асимметричные перемещения, но по значению они несколько меньше, чем в других нагрузках, что объясняется значительной жесткостью колонн.
■ 2-я нагрузка й 3-я нагрузка й 4-я нагрузка • 5-я нагрузка
Точка а ХтТочка Ь Точка с Точка а^ Точка е
4
/
у V
1 \
Точки
напряжений, а также вертикальных перемещений (в) в точках на верхнем перекрытии модели
Проанализированный случай 5-й нагрузки дает возможность сделать вывод, что ее нахождение даже над колонной приводит к большим перемещениям по оси Ъ (вертикальная) (рис. 4, в), хотя жесткость колонны значительна. При нахождении нагрузок над колонной она загружена более чем другие элементы, хотя в общую работу включаются и ближайшие колонны этого ряда.
Таким образом, проведенный численный анализ дает возможность сделать вывод, что общее НДС колонной станции находится в
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
эксплуатационных пределах, но в значительной степени зависит от геометрического размещения подвижной нагрузки относительно верхнегоперекрытия станции и системы колонн, глубины заложения, жесткости конструкции и деформативних характеристик окружающего массива. Исследование станции метрополитена колонного типа мелкого заложения в случае разные случаи пересечения их подвижной нагрузкой следует продолжать в области изменения деформативных характеристик грунта.
Список литературы
1. Фролов Ю.С., Крук Ю.Е. Метрополитены на линиях мелкого заложения. Новая концепция строительства. М.: ТИМР, 1994. 202 с.
2. Фролов Ю.С., Крук Ю.Е. Новая концепция строительства метрополитена на линиях мелкого заложения // Подземное пространство мира. 1993. №2. С. 10-5.
3. Петренко В.И., Петренко В.Д., Тютькин А.Л.Современные технологии строительства метрополитенов в Украине. Дншропетровськ: Вид-во «Наука i осв1та», 2005. 252 с.
4. Петренко Е.В., Петренко И.Е. Прогрессивное решение в строительстве новых линий метрополитенов // Подземное пространство мира. 1998. № 1. С. 3-4.
5. Демешко Е.А., Косицын С.Б., Слемзин А.Е. Расчет колонной станции метрополитена как пространственной конструкции // Транспортное строительство. 1992. № 1. С. 32-35.
Тютькин Алексеи Леонидович, докторант, канд. техн. наук, доц., tutkinamail.ru, Украина, Днепропетровск, Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени В. Лазаряна
NUMERICAL ANALYSIS OF THEMOBIIEIOADING INFLUENCE ON THE UNDERGROUND COLUMN STATION
A. L. Tjutkin
The results of numerical analysis by the finite elements method of mobile loading cases at his co-operation with the shallow contour interval column station of underground are presented.
Key words: column station, shallow contour interval, mobile loading, stress-strain
state.
Tjutkin Alexey Leonidovitch, doctoral candidate, candidateof technical sciences, docent, tutkina mail.ru, Dnipropetrovsk, Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after academician V. Lazaryan
