肖山喜

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518000)

隨著深圳市河道水環(huán)境綜合治理、雨污管網(wǎng)改造及海綿城市建設(shè)的加快，雨水調(diào)蓄池逐漸增多，目前深圳已建成觀瀾河[2]、排澇河[3]、鹿丹村等多座超大型地下雨水調(diào)蓄池。水利工程中調(diào)蓄池大多建設(shè)在河道或河口附近，周邊地下水位較高，調(diào)蓄池底板受浮力較大，調(diào)蓄池往往需要設(shè)置抗浮樁或抗浮錨桿。對(duì)于地下調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)，底板同時(shí)受到地下水浮力、內(nèi)水壓力、頂板填土等荷載，調(diào)蓄池完建后，枯水期池外地下水位較低，池內(nèi)滿水極端工況時(shí)，底板受到正向壓力大于水浮力，底板受力狀態(tài)為正向受壓；洪水期池外地下水位較高，池內(nèi)無水極端工況時(shí)，底板受到正向壓力小于水浮力，底板受力狀態(tài)為反向受壓[4]。故調(diào)蓄池運(yùn)行期，底板既正向受壓又反向受壓，底板受力狀態(tài)較為復(fù)雜。

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)地下室底板設(shè)計(jì)工程經(jīng)驗(yàn)，調(diào)蓄池底板一般設(shè)計(jì)成剛度較大的筏板基礎(chǔ)。工程設(shè)計(jì)中常用的筏板基礎(chǔ)可分為平板式和梁板式，根據(jù)調(diào)蓄池底板雙向受力的復(fù)雜狀態(tài)，且考慮到底板施工方便，調(diào)蓄池底板一般設(shè)計(jì)為平板式筏基。為滿足調(diào)蓄池底板受壓及抗浮要求，底板一般設(shè)計(jì)較厚重，底板占整個(gè)調(diào)蓄池工程投資也較大，故底板設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到工程投資及工程安全問題。

目前大型地下結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)常用的計(jì)算方法有剛性板法、無梁樓蓋法、彈性地基梁模型法，但大部分計(jì)算方法主要適用于非樁筏板正向受壓計(jì)算，在樁筏基礎(chǔ)中正、反雙向受力時(shí)需要在原計(jì)算方法基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。為此，文章以深圳市的一座超大型全地下式雨水調(diào)蓄池為工程背景，介紹了三種計(jì)算方法在調(diào)蓄池底板設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，對(duì)比分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用條件。

1 工程概況

工程位于深圳市光明新區(qū)東坑水滯洪區(qū)內(nèi)，是一座超大型全地下式初雨調(diào)蓄池，調(diào)蓄池內(nèi)部調(diào)蓄茅洲河截污箱涵初小雨，調(diào)蓄容積13.5萬m3，調(diào)蓄池頂部為休閑公園及運(yùn)動(dòng)廣場(chǎng)。調(diào)蓄池內(nèi)部集成布置了進(jìn)水格柵、沉砂池、雨水提升泵站、螺旋型檢修車道及沖洗通風(fēng)等設(shè)施。調(diào)蓄池基坑采用樁錨式支護(hù)開挖，調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)采用全封閉框架式梁板柱結(jié)構(gòu)型式，底板采用平板式樁筏基礎(chǔ)，調(diào)蓄池長(zhǎng)281.6m、寬108m，底板頂面高程為2.5～3.5m，頂板結(jié)構(gòu)高程為10.2m，洪水期最高水位12.5m，調(diào)蓄池池內(nèi)設(shè)計(jì)水位9.0m。

調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)尺寸如下：柱網(wǎng)間距為7500mm×6000mm，主梁500mm×1000mm，次梁400mm×800mm，框架柱800mm×800mm。底板厚1000mm，底板采用框架柱下布樁，采用DN1000鋼筋混凝土灌注樁。側(cè)墻頂部厚1000mm，底部厚1500mm。頂板覆土厚度300mm，最大洪水高度2.0m，結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)水位取10.5m。調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)典型剖面如圖1所示。

調(diào)蓄池現(xiàn)狀地面高程為16.0～22.5m，底板設(shè)計(jì)底高程為1.5～2.5m，底板下地層巖性由上至下依次為：2.0～8.6m厚殘積土層、3.0～15.5m厚全風(fēng)化花崗巖層、2.3～5.0m厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，底板坐落于殘積土層。

圖1 調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)典型剖面圖

2 荷載分析

根據(jù)調(diào)蓄池實(shí)際運(yùn)行工況，底板正向受壓、極限工況時(shí)，調(diào)蓄池取設(shè)計(jì)水位9.0m，地下水位為常水位8.0m。底板反向受壓、極限工況時(shí)，調(diào)蓄池內(nèi)無水，池外地下水位為10.5m。將調(diào)蓄池頂部荷載輸入結(jié)構(gòu)空間有限元軟件PKPM(V3.1)SATWE模塊和盈建科建筑結(jié)構(gòu)YJKS(1.8.1)無梁樓蓋模塊，結(jié)構(gòu)頂部荷載詳見表1。

表1 調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)頂部荷載表

3 計(jì)算方法分析

3.1 剛性板法

對(duì)于常規(guī)剛性板法，將調(diào)蓄池底板考慮為剛性板，采用“截板成梁”按多跨連續(xù)梁計(jì)算底板內(nèi)力，以結(jié)構(gòu)框架柱為連續(xù)梁支座，這種計(jì)算方法適用于調(diào)蓄池上部結(jié)構(gòu)剛度較大，結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)變化不大和荷載分布均勻的非樁基礎(chǔ)調(diào)蓄池底板正向受壓時(shí)。

對(duì)于調(diào)蓄池底板反向受壓時(shí)，也可將底板簡(jiǎn)化成以結(jié)構(gòu)柱為支座，以凈水浮力作為上部荷載，按多跨連續(xù)梁計(jì)算底板反向受壓時(shí)的內(nèi)力。

調(diào)蓄池底板正向受壓工況時(shí)，上部荷載通過底板傳遞到樁基礎(chǔ)上，由樁基承擔(dān)全部荷載，樁間土不承擔(dān)荷載，此時(shí)沒有形成地基反力，故提出采用優(yōu)化后的剛性板法。該方法是一種結(jié)構(gòu)力學(xué)靜力分析法，采用“截板成梁”按多跨連續(xù)梁計(jì)算底板內(nèi)力，這種簡(jiǎn)化方法假設(shè)上部荷載全部由樁承擔(dān)，不考慮板底地基反力、樁基沉降變形等因素，且忽略了各板帶之間的變形協(xié)調(diào)、底板整體彎曲變形、上部結(jié)構(gòu)剛度等因素影響。將縱、橫兩個(gè)方向分成柱下板帶和跨中板帶，將柱下板帶簡(jiǎn)化為以樁基為支承的多跨連續(xù)梁，將樁基考慮成無豎向變形支座，將底板及上部受荷載作為連續(xù)梁的荷載計(jì)算。同時(shí)根據(jù)柱下板帶支座彎矩分配系數(shù)0.65～0.67[5]，計(jì)算出各柱下板帶支座彎矩。計(jì)算方法簡(jiǎn)單，在特定的條件下能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。但對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)底板，這種簡(jiǎn)化計(jì)算的假設(shè)條件與實(shí)際情況差別較大。

3.2 無梁樓蓋法

無梁樓蓋分為正向無梁樓蓋和倒無梁樓蓋，常規(guī)調(diào)蓄池底板多采用倒無梁樓蓋計(jì)算，將底板簡(jiǎn)化成倒置在結(jié)構(gòu)柱上的無梁樓蓋，以基底凈反力作為上部荷載，這種計(jì)算方法適用于調(diào)蓄池上部結(jié)構(gòu)剛度較大、結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)變化不大和荷載分布均勻的非樁基礎(chǔ)調(diào)蓄池底板正向受壓時(shí)。

對(duì)于調(diào)蓄池底板反向受壓時(shí)，也可將底板簡(jiǎn)化成倒置在結(jié)構(gòu)柱上的無梁樓蓋，以凈水浮力作為上部荷載，計(jì)算筏板反向受壓時(shí)的內(nèi)力。

調(diào)蓄池底板正向受壓工況時(shí)，上部荷載通過底板傳遞到樁基礎(chǔ)上，由樁基承擔(dān)全部荷載，樁間土不承擔(dān)荷載，此時(shí)倒無梁樓蓋模型與底板實(shí)際受力情況差別較大，故提出正向無梁樓蓋法。將底板簡(jiǎn)化成以樁基為支承的無梁樓蓋，上部結(jié)構(gòu)力作為無梁樓蓋荷載。該方法也不考慮板底地基反力，同時(shí)也不考慮樁基豎向變形、上部結(jié)構(gòu)剛度等因素。但考慮了板帶之間的變形協(xié)調(diào)、底板整體彎曲變形的因素影響，在特定的條件下這種計(jì)算方法比剛性板更接近實(shí)際受力情況。

3.3 彈性地基梁板模型法

彈性地基梁板模型法主要適用于底板正向受壓時(shí)，底板受水浮力影響反向受壓時(shí)一般不適用。彈性地基梁板模型法假設(shè)筏板由樁和樁間土共同承擔(dān)，灌注樁簡(jiǎn)化為一定剛度樁彈簧，樁間土簡(jiǎn)化為土彈簧，通過彈簧不同豎向剛度模擬灌注樁和樁間土共同對(duì)筏板的作用，考慮底板下樁-土共同作用、整體變形協(xié)調(diào)、上部結(jié)構(gòu)剛度等因素，底板受力情況與實(shí)際情況更接近。

樁基礎(chǔ)的豎向剛度主要指樁頂發(fā)生單位位移時(shí)樁能提供的反力值，樁基豎向剛度可以通過靜力荷載試驗(yàn)Q-S曲線計(jì)算[6]：

(1)

式中，Qa、Sa—單樁試驗(yàn)荷載和沉降值；ξ—試樁沉降完成系數(shù)，持力層為砂層取0.8，粘性土和粉土取0.6～0.7，飽和土取0.4～0.5。

也可根據(jù)劉純康[7]的樁的豎向剛度計(jì)算方法計(jì)算：

Kii=nhε(kτ+ks)

(2)

式中，nh—樁數(shù)；ε—考慮樁土作用下，樁的彈性影響系數(shù)；kτ、ks—灌注樁與樁間土體抗剪強(qiáng)度和樁身抗壓強(qiáng)度。

同時(shí)槐以高等人[8]提出樁間土承擔(dān)最大荷載不應(yīng)超過總荷載的10%～20%，通過調(diào)整灌注樁豎向抗壓剛度和樁間土基床系數(shù)，反算樁間土承擔(dān)最大荷載進(jìn)而近似模擬樁-土共同作用效果。

4 計(jì)算簡(jiǎn)化模型對(duì)比分析

本次計(jì)算模型僅為中間跨底板，邊跨底板不包含在模型計(jì)算中。邊跨底板除受到上部荷載外，主要受到側(cè)墻底部傳遞彎矩，故邊跨底板一般設(shè)計(jì)比中間跨底板厚，受力計(jì)算模型也不同。

4.1 剛性板法

調(diào)蓄池底板正向受壓時(shí)，底板X方向劃分成7500mm寬柱下板帶和7500mm寬跨中板帶，底板Y方向分成6000mm寬柱下板帶和6000mm寬跨中板帶，將柱下板帶簡(jiǎn)化為以直徑1000mm灌注樁為支承的多跨連續(xù)梁，將樁基考慮成無豎向變形支座，將底板及上部受荷載作為連續(xù)梁的荷載計(jì)算。同時(shí)根據(jù)柱下板帶支座彎矩分配系數(shù)0.65～0.67[5]，計(jì)算出各柱下板帶支座彎矩。

剛性板法首先采用結(jié)構(gòu)空間有限元軟件PKPM(V3.1)SATWE模塊計(jì)算框架柱作用在底板上部荷載，然后將計(jì)算內(nèi)力導(dǎo)入理正結(jié)構(gòu)工具箱設(shè)計(jì)軟件連續(xù)梁模塊中進(jìn)行分析計(jì)算。

調(diào)蓄池底板反向受壓時(shí)，采取同樣的方法將底板劃分板帶，同時(shí)以800mm×800mm寬框架柱為支承的多跨連續(xù)梁，不考慮調(diào)蓄池框架柱的豎向位移，將底板受凈水浮力作為連續(xù)梁的荷載計(jì)算。

4.2 無梁樓蓋法

調(diào)蓄池底板正向受壓時(shí)，將底板簡(jiǎn)化成以直徑1000mm灌注樁為支承的無梁樓蓋，不考慮板底地基反力、灌注樁沉降變形、調(diào)蓄池上部結(jié)構(gòu)剛度等因素，將底板上內(nèi)水壓力、上部結(jié)構(gòu)自重及覆土重作為無梁樓蓋上部荷載。

首先采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)YJKS(1.8.1)上部結(jié)構(gòu)模塊計(jì)算上部荷載，然后將計(jì)算內(nèi)力導(dǎo)入盈建科建筑結(jié)構(gòu)YJKS(1.8.1)無梁樓蓋模塊，計(jì)算方法采用有限元分析法，同時(shí)考慮梁彈性變形，樓板采用彈性板6，板有限元網(wǎng)格控制邊長(zhǎng)為1.0m，彈性板荷載導(dǎo)荷采用有限元計(jì)算法。

調(diào)蓄池底板反向受壓時(shí)，將底板簡(jiǎn)化成以800mm×800mm寬框架柱為支承的倒無梁樓蓋，凈水浮力作為倒無梁樓蓋上部荷載，同樣采用YJKS(1.8.1)無梁樓蓋模塊，有限元分析法計(jì)算樁筏底板受力。

4.3 彈性地基梁板模型法

調(diào)蓄池底板正向受壓時(shí)，底板自重及上部荷載由灌注樁和樁間土共同承擔(dān)，灌注樁簡(jiǎn)化為一定剛度樁彈簧，灌注樁樁體剛度按照上述說明計(jì)算所得，樁間土簡(jiǎn)化為土彈簧，通過彈簧不同豎向剛度模擬灌注樁和樁間土共同對(duì)筏板的作用。彈性地基梁板模型法主要采用結(jié)構(gòu)空間有限元軟件PKPM(V3.1)SATWE和JCCAD模塊進(jìn)行計(jì)算分析。

通過結(jié)構(gòu)空間有限元軟件PKPM(V3.1)JCCAD模塊進(jìn)行樁筏底板計(jì)算，筏板計(jì)算網(wǎng)格劃分依據(jù)為構(gòu)件網(wǎng)格線及樁位，有限元網(wǎng)格控制邊長(zhǎng)為1m。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 剛性板法

根據(jù)結(jié)構(gòu)空間有限元軟件PKPM(V3.1)SATWE模塊和理正結(jié)構(gòu)工具箱設(shè)計(jì)軟件連續(xù)梁模塊，計(jì)算出底板正向和反向受力時(shí)的簡(jiǎn)化連續(xù)梁的彎矩如圖2和圖3所示。

圖2 剛性板法正向受壓時(shí)底板(柱下板帶)彎矩圖

圖3 剛性板法反向受壓時(shí)底板(柱下板帶)彎矩圖

5.2 無梁樓蓋法

根據(jù)盈建科建筑結(jié)構(gòu)YJKS(1.8.1)無梁樓蓋模塊，計(jì)算出調(diào)蓄池底板正向和反向受力時(shí)，底板的彎矩，通過板帶彎矩積分結(jié)果，查詢到底板的最大彎矩值。彎矩云圖如圖4～7所示。

圖4 底板正向受力Mxx彎矩云圖(kN·m/m)

圖5 底板正向受力Myy彎矩云圖(kN·m/m)

圖6 底板反向受力Mxx彎矩云圖(kN·m/m)

圖7 底板反向受力Myy彎矩云圖(kN·m/m)

根據(jù)彎矩云圖分析，無梁樓蓋柱帽處出現(xiàn)應(yīng)力集中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意進(jìn)行柱帽(樁基或者框架柱)處底板沖切驗(yàn)算，以及適當(dāng)加強(qiáng)柱帽處結(jié)構(gòu)配筋。

5.3 彈性地基梁板模型法

根據(jù)PKPM(V3.1)SATWE和JCCAD模塊，計(jì)算出底板正向受力時(shí)，底板的彎矩、沉降量。具體見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

注：表中為中間跨底板計(jì)算內(nèi)力及配筋，邊跨底板未包含。

6 結(jié)語

(1)在超大型初雨調(diào)蓄池樁筏底板設(shè)計(jì)中，底板正向受壓時(shí)，當(dāng)?shù)装逑聵堕g土質(zhì)良好、土層變形模量較大時(shí)，底板由樁和樁間土共同支承。此時(shí)剛性板法未考慮板底地基反力、地基沉降變形等因素，且忽略了各板帶之間的變形協(xié)調(diào)、底板整體彎曲變形、上部結(jié)構(gòu)剛度等影響，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差別較大。無梁樓蓋法也未考慮板底地基反力、地基沉降變形、上部結(jié)構(gòu)剛度等因素，但考慮了各板帶之間的變形協(xié)調(diào)、底板整體彎曲變形，其計(jì)算結(jié)果比剛性板法更接近實(shí)際情況。彈性地基梁板模型法考慮了底板下樁-土共同作用，考慮了樁基和樁間土變形因素，且考慮了底板變形協(xié)調(diào)問題、上部結(jié)構(gòu)剛度的影響，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況比較吻合。當(dāng)?shù)装逑聵堕g土質(zhì)較差、土層變形模量較小、土質(zhì)沉降大時(shí)，容易造成底板與土脫離。此時(shí)底板全部由樁基支承，剛性板法、無梁樓蓋法與實(shí)際受力情況更接近，故對(duì)于大型工程或復(fù)雜的基礎(chǔ)正向受壓時(shí)，應(yīng)綜合三種計(jì)算方法，綜合取值。對(duì)于中、小型工程，底板受力情況簡(jiǎn)單明確，剛性板法或無梁樓蓋法基本能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求。

(2)在超大型初雨調(diào)蓄池樁筏底板設(shè)計(jì)中，底板反向受壓時(shí)，剛性板法忽略了各板帶之間的變形協(xié)調(diào)、底板整體彎曲變形等因素，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差別較大；無梁樓蓋法考慮了各板帶之間的變形協(xié)調(diào)、底板整體彎曲變形，其計(jì)算結(jié)果比剛性板法更接近實(shí)際情況。故對(duì)于大型工程或復(fù)雜的基礎(chǔ)反向受壓時(shí)，應(yīng)綜合兩種計(jì)算方法取值。

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