CC BY
50
УДК 656.211
П.А. Деменков, канд. техн. наук, доц., dem-petr@yandex.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПГИ),
Д.Н. Петров, канд. техн. наук, доц., petrovgs@mail.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПГИ),
В.Н. Очнев, канд. техн. наук, доц., dem-petr@yandex.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПГИ)
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОЛОННОЙ СТАНЦИИ БЕЗ БОКОВЫХ ПЛАТФОРМ С ЧУГУННЫМИ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМИ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫМИ СТЕНАМИ
Рассмотрены две численные модели колонной станции без боковых платформ метрополитена глубокого заложения. В первой модели разделительная стена сделана из чугуна, во второй - из монолитного железобетона. Получена картина формирования напряженно-деформированного состояния в несущих элементах станции. Результаты моделирования позволяют говорить о возможности замены в разделительной стене чугуна на железобетон.
Ключевые слова: колонная станция, численные модели, напряженно-
деформированное состояние.
Колонные станции без боковых платформ метрополитена глубокого заложения сооружались с чугунными разделительными стенами. Одним из направлений снижения стоимости станций является снижение их металлоемкости. В работе рассмотрены две численные модели: с чугунными разделительными и железобетонными стенами.
Боковые тоннели станции закреплены железобетонной тюбинговой обделкой 5,5/5,0 м. Средний станционный тоннель имеет двухциркульное очертание, нижний свод с радиусом 7,15 м, верхний - 5,7 м, толщина обделки для обоих сводов составляет 350 мм.
В первой модели разделительные стены выполнялись из чугунных тюбингов, во второй - из монолитного железобетона толщиной 200 мм. Для исключения изгибающего момента в местах опирания обделки, были предусмотрены шарниры. Напряженное состояние массива формировалось собственным весом вышележащих пород. Размеры расчетной модели выбиралась из условия минимального влияния граничных условий на распределение напряженно-деформированного состояния вокруг станции и составили 100^100x9,22 м (глубинахширинахдлина).
На рис. 1 показан фрагмент конечно-элементной сетки модели.
Рис. 1. Фрагмент модели станции с сеткой конечных элементов
Строительство станции моделировалось в следующей последовательности:
- на первом этапе производилась выемка грунта из сечения левого бокового станционного тоннеля и возводилась обделка;
- на втором - установка колонно-прогонного комплекса в левом тоннеле;
- на третьем и четвертом этапах выполнялись аналогичные работы в правом станционном тоннеле;
- на пятом этапе извлекался грунт из калотты среднего тоннеля и устраивалась обделка верхнего свода;
- на шестом - разработка грунта и возведение обделки в нижней части среднего тоннеля;
- на седьмом и восьмом этапах - демонтаж тюбингов временного заполнения, соответственно, левого и правого боковых тоннелей.
На рис. 2 и рис. 3 приведено распределение растягивающих и сжимающих напряжений в обделке станционных тоннелей. Наибольшая концентрация растягивающих напряжений наблюдается в лотковой части боковых тоннелей, достигая значений 7...8 МПа, а в других элементах обделки тоннелей они практически равны нулю. Это видно и на графиках изменения напряжений в сечениях посередине разделительной стены и проема (рис. 4 и рис. 5). В сечении посередине проема наблюдается небольшая зона растягивающих напряжений (2,5.3 МПа) в сводовой части опирания обделки на стены.
Рис. 2. Картинараспределениярастягивающих напряжений
в обделке, кПа
Рис. 3. Картинараспределения сжимающих напряжений
в обделке, кПа
1 нижний свод 1 боковой тоннель 1 верхний свод 1
1 среднего тоннеля 1 | среднего тоннеля |
Рис. 4. График распределения напряжений по внешнему контуру обделки станции в сечении посередине проема: 1 - растягивающие напряжения; 2 - сжимающие напряжения
Для сжимающих напряжений характерными являются три участка: сопряжение обделки нижнего свода среднего с обделкой бокового тоннеля, бока боковых тоннелей и сопряжение обделки бокового с обделкой верхнего свода среднего тоннеля (рис. 3). На первом и третьем участке происходит резкий скачок напряжений от нулевых значений до 22.27 МПа и 8.10 МПа, соответственно, далее они также резко падают до нулевых (см. рис. 4 и 5). В боковом тоннеле напряжения возрастают более плавно, начиная от лотковой части и, достигая пика в боку тоннеля, максимальная их величина составляет 13.14 МПа.
15000
10000
-30000
I нижнии свод I боковой тоннель I верхний свод
I среднего тоннеля | I среднего тоннеля
Рис. 5. Распределение напряжений по внешнему контуру обделки станции в сечении посередине колонного комплекса: 1 - главные максимальные напряжения; 2 - главныеминимальные напряжения
Зоны растягивающих напряжений на внутренней поверхности возникают в местах стыка обделок среднего и бокового тоннеля. В нижнем стыке обделок величина напряжений достигает максимальных значений, порядка 13.16 МПа. В боку тоннеля, концентрация растягивающих напряжений составляет 2.3 МПа. По характеру распределения напряжений в сечениях посередине колонного комплекса и проема значительного отличия не наблюдается. Такая же картина наблюдается и для сжимающих напряжений. Пики напряжений также находятся в зонах пересечения обделок. Однако, их величина в нижней и верхней частях контакта соизмерима и составляет 15.17 МПа. В боковом тоннеле зона концентрации сжимающих напряжений смещена в сторону верхнего свода среднего станционного тоннеля и достигает 9.10 МПа. В верхнем и нижнем своде среднего тоннеля распределение сжимающих напряжений носит равномерный характер. Величина напряжений колеблется в пределах 5.9 МПа.
Наибольшие растягивающие в разделительных стенах находятся посередине проема и достигают: горизонтальные - 15 МПа, вертикальные -18 МПа - в углах проема. Средняя часть колонно-прогонного комплекса находится в сжатой зоне с величиной напряжений 13-15 МПа.
Результаты моделирования напряженного состояния обделки станции с разделительными стенами из монолитного железобетона приведены на рис. 6 - 9.
Рис. 6. Распределение максимальныхрастягиеающих напряжений
в обделке, кПа
$, Міп. РппораІ $N10, (ЬасЬоп • *1.0) 8РО$. (Ь*<Ьоп ■ 1.0) (Ау«і 75«) ш +0.000* *00
■ - -2.370*403 1 ■ -4.740*403 В • -7.110*403 ш • >9.480*+03 I - -1.185*404
■ -1.422*+04
■ - -1.659*4-04 I • *1.896*404
■ - -2.133*404 I ■ >2.370*404
-2.607*404 •2.844*404
Рис. 7. Распределениемаксимальныхсжимающихнапряжений
в обделке, кПа
Рис. 8. Распределение напряжений по внешнему контуру обделки станции посередине проема: 1 - главныемаксимальные напряжения; 2 - главные минимальные напряжения
Рис. 9. Распределение напряжений по внешнему контуру обделки станции посередине колонного комплекса: 1 - главныемаксимальные напряжения; 2 - главныеминимальные напряжения
Как видно, характер распределения напряжений в обделке аналогичен описанному выше. Существуют некоторые отличия в численных значениях с разницей в пределах 5.10 %. В связи с этим можно сделать вывод, что на распределение напряжений в обделке станции наибольшее влияние оказывает технология строительства тоннелей, тогда как замена чугунной разделительной стены на железобетонную не приводит к видимому изменению напряженного состояния обделки.
Максимальная величина сжимающих напряжений наблюдается вокруг вертикальных стенок проема с наибольшими значениями в нижних углах проема. Растягивающие вертикальные напряжения преобладают в верхней и нижней перемычке проема. Точные значения растягивающих и сжимающих напряжений оценить в данной модели невозможно в связи со значительным упрощением геометрии разделительной стенки, однако, можно сказать, что их максимальные величины не превышают прочностные характеристики бетона. Таким образом, можно сделать вывод, что возможна замена чугунных разделительных стен железобетонными.
P. Demenkov, D. Petrov, V. Ochnev
Comparative analysis of column station without side platforms with cast iron and reinforced concrete separation walls
Two finite element models of column station without side platforms are considered in the article. In the first FEM model a separation wall is made from cast-iron, and in the second it is made from reinforced concrete. The stress strain state of column station structural elements is given. Results of finite element modeling show that cast-iron separating wall can be replaced by the reinforced concrete one.
Key words: injection consolidation soil, parallel tunnels, lining, calculation.
Получено 22.09.10
