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沈阳地铁STS工法钢管混凝土横向连接正截面抗弯性能：理论、试验与优化

一、引言

1.1研究背景与意义

随着城市化进程的加速，城市交通拥堵问题日益严重，地铁作为一种高效、便捷、环保的城市轨道交通方式，在各大城市得到了广泛的建设和应用。沈阳作为东北地区的重要城市，其地铁建设也在稳步推进。在地铁建设过程中，施工方法的选择对于工程的安全、质量、进度以及周边环境的影响至关重要。

STS工法（SteelTubeSheetMethod）作为一种新型的地下暗挖施工方法，在沈阳地铁建设中得到了应用。该工法通过顶进钢管形成管幕，然后在管幕的保护下进行土方开挖和结构施工，具有对周边环境影响小、施工速度快等优点。在沈阳地铁10号线东北大马路站中部施工中，STS工法的成功应用解决了该区域地上车流大、管线多、场地小等施工难题，同时提高了钢管顶进精度，减小了土体扰动并缩短了工期。

在STS工法中，钢管混凝土横向连接是保证结构整体性和稳定性的关键环节。钢管混凝土结构充分发挥了钢材和混凝土两种材料的优势，具有承载力高、延性好、抗震性能优越等特点。然而，目前对于STS工法中钢管混凝土横向连接正截面抗弯性能的研究还相对较少，其抗弯性能的准确评估对于保障地铁工程的安全运营至关重要。一方面，在地铁运营过程中，结构会承受各种荷载作用，包括车辆荷载、土压力、地震力等，钢管混凝土横向连接部位需要具备足够的抗弯能力来抵抗这些荷载，防止结构发生破坏。另一方面，准确掌握其正截面抗弯性能，有助于优化结构设计，在保证工程安全的前提下，降低工程成本，提高工程的经济效益。因此，开展沈阳地铁STS工法钢管混凝土横向连接正截面抗弯性能研究具有重要的工程实际意义和理论研究价值，能够为沈阳地铁及其他类似工程的设计、施工和运营维护提供科学依据和技术支持。

1.2国内外研究现状

国外对于STS工法的研究开展相对较早，在施工工艺、设备研发等方面取得了一定成果。在钢管混凝土结构研究领域，欧美、日本等国家和地区起步较早，建立了较为完善的设计理论和规范体系，如美国钢结构协会的AISC-LRFD规范、欧洲规范EC4、日本建筑学会的AIJ规范等，这些规范中对钢管混凝土的抗弯刚度和承载力的计算方法都有相应规定。然而，针对STS工法中钢管混凝土横向连接正截面抗弯性能的专门研究相对较少。

国内在引进STS工法后，也对其进行了一系列研究。在工程应用方面，沈阳地铁10号线东北大马路站是国内首次应用STS工法的地铁项目，为该工法在国内的推广积累了实践经验。在理论研究方面，部分学者针对STS工法的施工力学特性、地表沉降控制等方面展开了研究。贾鹏蛟等采用FLAC3D研究了STS管幕在车站施工过程中对地表沉降的影响。在钢管混凝土结构研究方面，国内学者通过大量试验和理论分析，对钢管混凝土的基本力学性能有了深入了解，并提出了一些适用于国内情况的计算方法和设计建议，如DBJ13-51规范。但是，关于STS工法中钢管混凝土横向连接正截面抗弯性能的研究还不够系统和深入，现有研究在连接节点的破坏模式、抗弯承载力的准确计算方法以及影响因素的全面分析等方面仍存在不足。不同规范对于钢管混凝土抗弯性能的计算结果存在较大差异，对于STS工法这种特殊的应用场景，缺乏针对性的研究和验证，难以直接应用于实际工程设计。因此，有必要进一步深入研究沈阳地铁STS工法钢管混凝土横向连接正截面抗弯性能，以填补这一领域的研究空白。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容包括：首先，通过对沈阳地铁采用STS工法的工程实例进行调研，了解钢管混凝土横向连接的实际构造形式、施工工艺以及工程中的应用情况。其次，开展钢管混凝土横向连接试件的设计与制作，进行正截面抗弯性能试验研究，观察试件在加载过程中的破坏形态，记录荷载-位移曲线、应变分布等数据，分析其破坏机理和抗弯性能。然后，利用有限元软件建立钢管混凝土横向连接的数值模型，对试验过程进行模拟分析，验证模型的有效性，并进一步研究不同参数（如钢管壁厚、混凝土强度、连接螺栓布置等）对正截面抗弯性能的影响。最后，结合试验结果和数值模拟分析，建立适用于沈阳地铁STS工法钢管混凝土横向连接正截面抗弯承载力的计算方法，并与现有规范计算结果进行对比分析，评估现有规范在该领域的适用性。

本文采用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的研究方法。试验研究能够直接获取钢管混凝土横向连接在实际受力情况下的性能数据，为理论分析和数值模拟提供基础；数值模拟可以弥补试验研究的局限性，通过改变参数进行大量计算，深入分析各种因素对正截面抗弯性能的影响；理论分析则能够从力学原理出发，建立合理的计算模型，对试验和模拟结果进行总结归纳，提出具有普遍适用性的计算方