代恒軍

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430223)

0 引言

近年來，隨著大城市的基坑向“大、深、緊、近”的方向發(fā)展和環(huán)境保護(hù)要求的提高，支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展，成為軟土地區(qū)和環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)格條件下基坑支護(hù)的重要方法［1］。由于將永久地下主體結(jié)構(gòu)作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，兩者之間必然有一定的影響，它既有利于永久地下結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)基坑變形控制貢獻(xiàn)的問題，又包含了基坑變形對(duì)永久結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加的內(nèi)力變形問題。地下結(jié)構(gòu)梁板等構(gòu)件除應(yīng)滿足地下結(jié)構(gòu)使用期設(shè)計(jì)要求外，尚應(yīng)進(jìn)行各種施工工況條件下的內(nèi)力、變形等計(jì)算。在逆作施工階段在適當(dāng)部位預(yù)留從地面直通地下室底層的施工孔洞，如出土孔、設(shè)備吊裝孔、施工電梯孔、通風(fēng)孔等，開口處需進(jìn)行應(yīng)力和變形的計(jì)算，保證傳力可靠，必要時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的加固措施。

王湧等、徐中華等通過有限元對(duì)與地下主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混凝土水平支撐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了內(nèi)力和變形分析［2，3］。

本文采用三維有限元方法對(duì)廈門某采用逆作法施工的基坑工程，在逆作施工過程中的地下室結(jié)構(gòu)梁板兼作水平支撐體系按工況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。該工程地下室為鋼結(jié)構(gòu)地下室，結(jié)構(gòu)梁為型鋼梁，板為混凝土板?？蛇x擇的加固方案為混凝土梁加固或鋼梁加固。本文分別對(duì)兩種加固方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為施工方案的選擇提供理論依據(jù)。

1 工程概況

本工程地上為一座塔樓，共計(jì)40層，塔尖最高達(dá)到218 m，地下擬建5層，整個(gè)基坑面積4 600 m2，開挖深度為22 m～23 m。地下室樓板采用C40混凝土，地下室主梁、次梁分別采用H型鋼。擬建場(chǎng)地周邊環(huán)境較為復(fù)雜，場(chǎng)地北側(cè)、東側(cè)圍墻外緊鄰尚未拆除的多層磚混結(jié)構(gòu)建筑物，基地西側(cè)緊鄰市政主干道鷺江道，其下有較多地下管線，在基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)與施工中需加以保護(hù)。方案采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻作為基坑周邊的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，兼作地下室主體結(jié)構(gòu)外墻，承受使用階段的水、土壓力，并采用“逆作法”進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。

因“逆作法”施工需要，在地下室樓板上預(yù)留了鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋吊裝出入口、出土口以及塔吊和電梯等開口，由于這些預(yù)留口開口較大，需對(duì)開口部位采取一定的加固措施，以承受水平方向的荷載。地下室樓板加固，可以對(duì)開口周邊的單根梁進(jìn)行加固，如型鋼外包混凝土;也可以對(duì)開口周邊區(qū)域進(jìn)行加固，如在開口附近區(qū)域，增加臨時(shí)梁，形成桁架，以提高開口附近區(qū)域整體剛度來承受水平荷載。

圖1和圖2分別為兩種加固方案。

圖1 采用外包混凝土梁加固方案

圖2 采用型鋼桁架梁加固方案

2 有限元模型

采用有限元軟件ANSYS建立三維有限元模型，考慮了梁板間的共同作用，比較真實(shí)的模擬了地下室梁板在基坑施工階段，在水平向土壓力和豎向自重、施工荷載作用下的內(nèi)力和變形，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，主梁截面為H400×200×10×12，次梁截面為H350×180×8×12，混凝土圍檁截面為1 000×1 000，混凝土加固梁截面為1 000×800，型鋼加固梁采用 H300×180×8×12，梁?jiǎn)卧捎萌S梁?jiǎn)卧M，混凝土板采用殼單元模擬，材料參數(shù)見表1，梁板間相互作用采用相同節(jié)點(diǎn)耦合的處理方法來模擬。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)

梁板支撐系統(tǒng)水平向通常可以采用三種邊界條件:

1)在局部設(shè)置固定支座，這是通過在水平支撐位移極小的位置設(shè)置固定約束支座，限制其運(yùn)動(dòng)，來分析其內(nèi)力和變形。

2)法向彈簧支座邊界，法向彈簧邊界是一種工程經(jīng)驗(yàn)方法，也是空間桿系模型分析時(shí)經(jīng)常采用的邊界條件，彈簧剛度的取值主要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)。

3)切向彈簧邊界。局部固定支座邊界計(jì)算結(jié)果在支座位置容易應(yīng)力集中，且支座位置選取對(duì)計(jì)算結(jié)果也有較大影響，本文有限元模擬中水平向邊界條件采用法向彈簧支座邊界，在圍檁上加以均勻分布的彈簧，近似模擬圍護(hù)墻體及坑外土體對(duì)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的約束作用。豎向邊界條件，取柱節(jié)點(diǎn)和圍檁處節(jié)點(diǎn)豎向位移為0。

圍護(hù)剖面計(jì)算采用規(guī)范推薦的豎向彈性地基梁法，由此得到各層樓板處的支撐反力，平面豎向彈性地基梁法的計(jì)算結(jié)果，地下三層樓板的支撐反力為800 kN/m，將這一反力均勻地加在地下三層結(jié)構(gòu)的圍檁上，且垂直于圍檁的切線方向，并在樓板上施加豎向荷載6.5 kN/m2，并考慮結(jié)構(gòu)梁板的自重。

3 有限元模擬結(jié)果分析

圖3～圖8給出了兩種加固方案下，樓板的有限元計(jì)算結(jié)果，從圖3～圖6可以看出，兩種加固方案下樓板的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是一致的，總體變形值也是相近的。這是由于在荷載與邊界條件一致，且總體結(jié)構(gòu)框架大部分相同的條件下，局部的剛度與結(jié)構(gòu)的差異并不影響整體的變形。對(duì)比圖7，圖8，采用混凝土加固方案，圍檁的彎矩最大值為57 kN·m，采用型鋼梁加固方案，圍檁的彎矩最大值為53.6 kN·m，均是在臨近開孔區(qū)域最大，二者的分布規(guī)律也相同。內(nèi)部梁的彎矩圖則有較大差異，采用混凝土加固方案，在洞口區(qū)域，由于型鋼混凝土加固梁水平方向的抗剛度較型鋼要大許多，故加固梁分擔(dān)的彎矩也大;采用型鋼加固方案，梁的彎矩圖分布較均勻。

圖3 水平面內(nèi)X方向的位移云圖（外包混凝土梁加固）

圖4 水平面內(nèi)Y方向的位移云圖（外包混凝土梁加固）

圖5 水平面內(nèi)X方向的位移云圖（型鋼梁加固）

圖6 水平面內(nèi)Y方向的位移云圖（型鋼梁加固）

圖7 水平面內(nèi)彎矩等值云圖（外包混凝土梁加固）

圖8 水平面內(nèi)彎矩等值云圖（型鋼梁加固）

4 結(jié)語

1)采用考慮梁板共同作用的三維有限元方法，邊界采用法向彈簧模型，能夠較好模擬梁板的協(xié)同作用，梁板結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，為設(shè)計(jì)和施工提供了指導(dǎo)。

2)從計(jì)算結(jié)果看，采用兩種加固方案都是可行的，均能滿足設(shè)計(jì)、施工要求，也能滿足保護(hù)環(huán)境的要求。

3)采用兩種方案加固樓板，在變形趨勢(shì)上是一致的，在受力上存在差異。采用外包混凝土梁加固，主要是通過提高邊梁剛度，減小邊梁變形，來與樓板協(xié)調(diào);采用鋼桁架的加固方法是通過將過大的水平力轉(zhuǎn)化為梁的拉壓力，是順勢(shì)而為的做法。

4)從計(jì)算結(jié)果可知，采用外包混凝土梁加固方案時(shí)，應(yīng)注意加強(qiáng)梁與柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

［1］王衛(wèi)東，王建華.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)、分析與實(shí)例［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007:1-105.

［2］王 湧，岳建勇.主體與支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的水平支撐系統(tǒng)數(shù)值分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，1(4):591-594.

［3］王衛(wèi)東，王建華.深基坑工程中主體工程地下結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的研究與實(shí)踐［J］.工業(yè)建筑，2004(sup):69-79.