劉　奎

(長(zhǎng)沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙　410000)

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塔吊荷載對(duì)地連墻影響數(shù)值分析

劉奎

(長(zhǎng)沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙410000)

運(yùn)用Abaqus軟件對(duì)承受塔吊荷載的地連墻受力變形情況進(jìn)行了有限元分析。首先分析了塔吊荷載對(duì)地連墻的影響，然后綜合計(jì)算分析了地連墻承受土壓力、塔吊荷載和自重共同作用的受力變形情況。結(jié)果表明，隨著錨碇基坑開(kāi)挖深度的加大，地連墻的逐步加深，塔吊荷載對(duì)地連墻的影響逐步減小，將塔吊直接安放在地連墻上的施工方案是完全可行的。

；橋梁工程；塔吊；地連墻；Abaqus；受力變形

0　引言

某高速大橋位于湖南省岳陽(yáng)市七里山(大橋以北下游3 km湘江入長(zhǎng)江的咽喉地段)，全長(zhǎng)2 390 m，是某高速公路重點(diǎn)控制性工程。主跨1 480 m，為兩跨不對(duì)稱鋼桁梁懸索橋，其錨碇基礎(chǔ)為支護(hù)開(kāi)挖深埋擴(kuò)大基礎(chǔ)，基坑采用葫蘆形地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，地連墻內(nèi)側(cè)沿豎向設(shè)置不等厚的內(nèi)襯支護(hù)?；硬捎媚孀鞣ǚ謱娱_(kāi)挖土體，地連墻帽梁頂標(biāo)高28.0 m，高度為3 m；第1、2層和標(biāo)高5.0 m以下內(nèi)襯及土體分層高度為2.5 m，其余高度均為3.0 m?；A(chǔ)頂面以下0～9 m深度內(nèi)內(nèi)襯厚1.5 m，9～18 m深度內(nèi)厚2.0 m，超過(guò)18 m深度厚2.5 m。地連墻平面構(gòu)造見(jiàn)圖1。

圖1　1/2地連墻平面圖(單位；cm)

地連墻槽口兩側(cè)均布置導(dǎo)墻，導(dǎo)墻頂標(biāo)高為28.0 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由原設(shè)計(jì)的“┗”型變更設(shè)計(jì)為“┓”型。錨碇基坑開(kāi)挖時(shí)，如按以前的常規(guī)方法將塔吊布置在地連墻外側(cè)，將必須破除相當(dāng)大面積的鋼筋混凝土導(dǎo)墻。為加快施工進(jìn)度，節(jié)約施工成本，更合理地利用施工資源，決定將塔吊直接安放在地連墻帽梁上。為分析地連墻在承受塔吊荷載作用下的受力變形情況，確保施工安全和工程質(zhì)量，對(duì)承受塔吊荷載作用下的地連墻和內(nèi)襯進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

1　塔吊荷載計(jì)算過(guò)程及可行性

擬采用的塔吊型號(hào)為TC6515B-12，共布置3臺(tái)。根據(jù)塔吊生產(chǎn)廠家提供的說(shuō)明書(shū)，塔吊固定式基礎(chǔ)的最不利荷載計(jì)算，見(jiàn)計(jì)算荷載布置圖2。

圖2　計(jì)算荷載布置圖

實(shí)際計(jì)算中，為避免施加節(jié)點(diǎn)集中荷載導(dǎo)致計(jì)算不收斂的問(wèn)題，將塔吊基礎(chǔ)荷載全部轉(zhuǎn)化為等效面荷載。工作狀態(tài)下，彎矩等效拉應(yīng)力計(jì)算值為0.6 MPa，彎矩等效壓應(yīng)力計(jì)算值為0.9 MPa，扭矩等效水平應(yīng)力計(jì)算值為0.13 MPa，水平力的等效應(yīng)力計(jì)算值為0.06 MPa。非工作狀態(tài)下，彎矩等效拉應(yīng)力計(jì)算值為0.85 MPa，彎矩等效壓應(yīng)力計(jì)算值為105 MPa，水平力的等效應(yīng)力計(jì)算值為0.25 MPa，按計(jì)算值換算成的荷載均比最不利荷載略大，可推斷這種假定具備可行性。

2　計(jì)算工況

基坑開(kāi)挖和內(nèi)襯采用逆作法分層施工，每層土體開(kāi)挖完成而未澆筑內(nèi)襯混凝土?xí)r為地連墻受力最不利情況。根據(jù)內(nèi)襯施工順序，結(jié)合考慮內(nèi)襯厚度，本文選取3種工況進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算工況表工況狀況描述工況1帽梁施工完成,1.5m厚內(nèi)襯第1層開(kāi)挖完成未澆筑混凝土工況21.5m厚第1層內(nèi)襯施工完成,2.0m厚內(nèi)襯第1層開(kāi)挖完成未澆筑混凝土工況3最后一層內(nèi)襯開(kāi)挖完成未澆筑混凝土 注:每種工況下,分塔吊工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)分別進(jìn)行計(jì)算。

3　Abaqus有限元計(jì)算分析

3.1Abaqus有限元模型

采用C3D8R單元模擬混凝土，它為8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元[1]，采用減縮積分方法，具有沙漏控制和避免剪切閉鎖功能[2]；采用T3D2單元模擬鋼筋，它為三維2節(jié)點(diǎn)桁架單元。采用在混凝土中植入鋼筋的辦法建立鋼筋和混凝土之間的連接[3]。地連墻有限元模型如圖3。

圖3　1/2地連墻有限元模型

混凝土本構(gòu)采用損傷塑性模型，鋼筋采用理性彈塑性模型。地連墻和內(nèi)襯分別采用C35和C30混凝土，D32鋼筋采用HRB500，其余鋼筋均為HRB400?；炷恋目箟?、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和彈性模量根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010[4]取值，鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和彈性模量根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003[5]取值。混凝土的其它材料參數(shù)取值如表2[6]。

表2 混凝土材料參數(shù)表ψ/(°)εαfκcμ300.11.160.6670.0005 注:ψ為膨脹角;ε為流動(dòng)勢(shì)偏移值;αf為雙軸等壓極限抗壓強(qiáng)度與單軸極限抗壓強(qiáng)度比;κc為拉伸子午線和壓縮子午線上的第2應(yīng)力不變量之比;μ表示粘性系數(shù),代表粘塑性系統(tǒng)隨時(shí)間的松弛。

3.2塔吊荷載影響計(jì)算結(jié)果與分析

在塔吊荷載作用下，運(yùn)用Abaqus計(jì)算的各工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形如表3所示。

表3 各工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形工況塔吊狀態(tài)混凝土鋼筋最大Mises應(yīng)力/MPa最大位移/mm最大Mises應(yīng)力/MPa最大位移/mm工況1工作狀態(tài)0.9040.5811.890.55非工作狀態(tài)1.7011.2314.621.19工況2工作狀態(tài)0.7530.2810.050.26非工作狀態(tài)1.2360.7313.30.71工況3工作狀態(tài)0.7150.2711.910.26非工作狀態(tài)1.2020.7715.680.75

由表3可知，塔吊非工作狀態(tài)下，其受力情況比工作狀態(tài)下更不利(非工作狀態(tài)下考慮了48 m/s風(fēng)速的作用)，因此，本文將重點(diǎn)研究塔吊非工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力變形情況。非工作狀態(tài)下，塔吊作用位置正下方地連墻應(yīng)力變形云圖如圖4所示。

由圖3和表3可知，塔吊荷載引起的最大應(yīng)力未超過(guò)16 MPa，位移未超過(guò)1.3 mm。塔吊荷載在地連墻中的擴(kuò)散范圍，沿高度方向僅約8 m，水平方向僅約10 m。超過(guò)這個(gè)范圍，塔吊的影響相當(dāng)微弱。塔吊荷載雖然較大，但相對(duì)于平面尺寸大的多的地連墻而言，其作用僅相當(dāng)于局部荷載，對(duì)地連墻整體的影響并不大。

3.3地連墻最不利受力計(jì)算

在土壓力、塔吊和自重多種荷載共同作用下，地連墻受力最不利狀況為工況3，即最后一層內(nèi)襯開(kāi)挖完成未澆筑混凝土的時(shí)候。為確保安全，對(duì)工況3地連墻承受土壓力、自重和塔吊荷載(非工作狀態(tài))的共同作用進(jìn)行計(jì)算。錨碇區(qū)基本為粘性土和砂類土，其容重取值為18 kN/m3，考慮到土壓力的不確定因素較多，計(jì)算土壓力時(shí)偏安全地簡(jiǎn)單地把土當(dāng)做流體，土壓力與深度成正比，為三角形荷載；混凝土容重取值為25 kN/m3，荷載如圖5所示。

a) 工況1

b) 工況2

c) 工況3

圖5　最不利荷載圖

計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 最不利狀況下應(yīng)力和變形工況僅塔吊荷載多種荷載最大Mises應(yīng)力/MPa最大位移/mm最大Mises應(yīng)力/MPa最大位移/mm工況3混凝土1.2020.775.324.25鋼筋15.680.75165.34.2

由表4可知，最不利情況下，混凝土和鋼筋的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)低于其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)是安全的。通過(guò)僅塔吊荷載和多種荷載共同作用的比較可看出，塔吊荷載的影響相對(duì)于土壓力和自重而言，是相當(dāng)微小的。

3.4混凝土抗裂性計(jì)算分析

為研究塔吊對(duì)地連墻混凝土的抗裂性能的影響，提取各工況下混凝土的最大主拉應(yīng)力，如表5所示。

表5 最大主拉應(yīng)力及其位置工況荷載最大主拉應(yīng)力/MPa位置工況1僅塔吊荷載0.701帽梁頂塔吊作用點(diǎn)正下方工況2僅塔吊荷載0.744帽梁頂塔吊作用點(diǎn)正下方工況3僅塔吊荷載0.741距帽梁頂1m塔吊作用點(diǎn)正下方多種荷載1.846最后一層內(nèi)襯底、地連墻與隔墻相交處

塔吊荷載作用下，最大主拉應(yīng)力的分布和圖4所示的Mises應(yīng)力分布基本一致，塔吊作用點(diǎn)位置應(yīng)力最大，距塔吊作用點(diǎn)越遠(yuǎn)，應(yīng)力越小。由圖4和表5可知，塔吊引起的最大主拉應(yīng)力遠(yuǎn)低于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，而且其影響范圍基本局限于塔吊安裝點(diǎn)周圍，而土壓力和自重的影響主要在地連墻下部，兩者主要作用范圍不重疊。工況3多種荷載共同作用下，混凝土最大主拉應(yīng)力已經(jīng)接近混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，主要是由土壓力和自重造成的。塔吊荷載對(duì)地連墻混凝土開(kāi)裂的不利影響很有限。

4　結(jié)論

本文運(yùn)用Abaqus對(duì)承受塔吊荷載的地連墻進(jìn)行數(shù)值分析，并計(jì)算了土壓力、自重和塔吊荷載共同作用下的地連墻，可得出以下主要結(jié)論：

1) 塔吊荷載雖然較大，但相對(duì)于平面尺寸大的多的地連墻而言，其作用僅相當(dāng)于局部荷載，對(duì)地連墻整體的影響并不大，塔吊荷載引起的地連墻的應(yīng)力和變形較小，對(duì)混凝土開(kāi)裂影響也較小。

2) 在土壓力、自重和塔吊荷載共同作用下，受力最不利情況下，地連墻混凝土和鋼筋的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)低于其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)是安全的。

3) 將塔吊直接安裝在地連墻上的施工方案是完全可行的。此方案省工省時(shí)，更合理地利用了施工資源，建議以后類似工程均按此方案布置塔吊等施工設(shè)備。

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2016-04-11

劉奎(1983-)，男，工程師，主要從事路橋建設(shè)。

；1008-844X(2016)03-0126-04

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