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        既有建筑地下空間拓建基礎(chǔ)托換技術(shù)數(shù)值模擬研究

        2022-09-23 04:46:48何曉彤劉保縣黃尚珩
        四川建筑 2022年4期
        關(guān)鍵詞:板式框架結(jié)構(gòu)數(shù)值

        夏 葵, 何曉彤, 劉??h, 黃尚珩, 冉 續(xù), 李 杰, 凌 書

        (1. 成都建工第三建筑工程有限公司, 四川成都 610000; 2. 西華大學(xué), 四川成都 610000)

        近年來,隨著城市化水平的提高,大型核心城市地下空間開發(fā)利用得到迅速發(fā)展。地下空間開發(fā)已成為土地稀缺的國(guó)家城市發(fā)展必要條件[1]。地下空間的發(fā)展離不開相關(guān)的技術(shù)研究,有利于推動(dòng)托換技術(shù)的發(fā)展[2]。本文提出既有建筑地下空間拓建基礎(chǔ)托換方法,即板式托換法,并采用ABAQUS模擬軟件對(duì)兩種托換流程進(jìn)行數(shù)值,總結(jié)了一套施工技術(shù),為類似工程提供參考。

        1 基礎(chǔ)托換技術(shù)研究現(xiàn)狀

        基礎(chǔ)托換技術(shù)是既有建筑地下空間拓建以及地下增層過程中的一項(xiàng)重要技術(shù),其施工難度比較大,技術(shù)要求比較高,同時(shí)又是多項(xiàng)技術(shù)的綜合體?;A(chǔ)托換技術(shù)主要包括4部分內(nèi)容:①基礎(chǔ)加固;②基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換;③既有建筑豎直向下再次開發(fā);④增強(qiáng)建筑安全性(表1)。

        近幾年,隨著城市快速發(fā)展,土地資源短缺,既有建筑地下增層工程逐漸增多,托換技術(shù)的應(yīng)用也明顯增加,除了用于地下增層改造中,在建筑安全工程和加固改造、土石方領(lǐng)域也比較常見。本技術(shù)難度系數(shù)高,安全性也比較高[4]。

        建于英國(guó)的Winchester大教堂,是最早使用補(bǔ)救性托換技術(shù)的工程。通過托換技術(shù),更換承載力不足的基礎(chǔ),改善了原有建筑基礎(chǔ)的缺陷,是世界上第一個(gè)采用托換技術(shù)成功的案例,是托換技術(shù)的一大突破。

        表1 基礎(chǔ)托換種類和特點(diǎn)[6-7]

        2 既有建筑特點(diǎn)分析

        在進(jìn)行基礎(chǔ)托換時(shí),首先需要對(duì)原有建筑物進(jìn)行性能檢測(cè),確定原建筑是否適合地下增層改造,以及改造完成以后可否滿足使用需要,并且保證后期使用安全性。另外還要對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行考察,避免對(duì)周邊建筑物的影響,規(guī)避不利因素,然后選擇合理的試驗(yàn)?zāi)P湍M施工流程:

        (1)可行性勘察,如水文、地質(zhì)、周邊建筑、地下管線等。

        (2)既有建筑的結(jié)構(gòu)形式、層高、基礎(chǔ)形式等。

        (3)建筑荷載情況,人流量、樓面荷載。

        (4)選擇基礎(chǔ)托換工藝,板式托換、樁基托換。

        (5)土方開挖方法選擇,根據(jù)場(chǎng)地選擇合理的開挖機(jī)械、開挖順序。

        (6)考慮建筑周邊的荷載,建筑位置、車流量、人流量、以及施工干擾等問題。

        3 主要施工工藝

        常見的基礎(chǔ)托換形式有樁基托換、梁式托換、板式托換3種,因?yàn)楸狙芯磕P蜑榈蛯咏ㄖ蚣芙Y(jié)構(gòu),所以本文主要研究板式托換法以及施工工藝。先進(jìn)行場(chǎng)地平整,清理周邊雜物,然后利用周邊的水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量放線,接下來施工一層梁和樓板,采用植筋的方法與框架柱連接,并進(jìn)行拉拔試驗(yàn);下一步進(jìn)行對(duì)角位置土方開挖,隨著土方開挖,一層梁板逐漸發(fā)揮臨時(shí)基礎(chǔ)的支撐作用,當(dāng)挖至地下室底板標(biāo)高時(shí),將原來的柱子接長(zhǎng),并完成基礎(chǔ)施工,然后進(jìn)行另一對(duì)角土方開挖,重復(fù)以上工作,最后土方全部挖完,立即封底,澆筑地下室底板和地下室外墻。

        板式托換法的施工工藝流程:施工準(zhǔn)備—場(chǎng)地平整—測(cè)量放線—地下連續(xù)墻施工—施工首層托換梁—托換板施工—托換板與梁、柱連接—土方開挖—柱子接長(zhǎng)—地下室底板施工—托換板下土體開挖—補(bǔ)全托換板和底板。地下室頂板與底板交替作托換構(gòu)件,可以增建多層地下室。

        4 板式托換有限元分析

        ABAQUS是一套數(shù)值模擬的軟件,可用于結(jié)構(gòu)變形與沉降分析,通過建立模型,進(jìn)行數(shù)值模擬,研究技術(shù)可行性、方案適用性。ABAQUS功能強(qiáng)大、用途廣泛,可以解決工程研究中的線性和非線性等一系列問題,包含有很多單元庫,材料庫,所以在很多領(lǐng)域都可使用。地下增層基礎(chǔ)托換技術(shù)復(fù)雜,綜合性很強(qiáng),難度系數(shù)高,應(yīng)用ABAQUS可以解決研究過程中既有建筑的應(yīng)力和應(yīng)變等問題。

        本文采用ABAQUS分析等跨框架結(jié)構(gòu)的沉降變形,原有建筑材料,柱子為C30混凝土,梁板為C25混凝土。

        4.1 計(jì)算模型

        為了更加準(zhǔn)確研究本技術(shù),本研究建立了模型試驗(yàn),設(shè)計(jì)圖紙取自某辦公樓,并將其簡(jiǎn)化,原有建筑簡(jiǎn)化模型為:縱向和橫向均為3跨,等跨框架結(jié)構(gòu),跨度均為7.5 m;層高為3層,結(jié)構(gòu)層高均為3.3 m。基礎(chǔ)形式為獨(dú)立基礎(chǔ)。

        4.2 工況模擬

        為了研究等跨框架結(jié)構(gòu)的沉降規(guī)律以及不均勻沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響,本文運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)地下施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,針對(duì)等跨框架結(jié)構(gòu)板式托換方法,采用雙側(cè)開挖方式,進(jìn)行實(shí)體建模,框架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件都采用實(shí)體單元,框架梁、柱、板網(wǎng)格劃分時(shí),網(wǎng)格劃分比較細(xì)致。加載時(shí)首先對(duì)了框架結(jié)構(gòu)和地基土施加自重荷載,然后對(duì)建筑的樓板和屋面板施加面荷載,這樣操作的目的是模擬建筑物在進(jìn)行基礎(chǔ)托換之前已經(jīng)有部分沉降量。

        板式托換有限元研究針對(duì)基礎(chǔ)托換過程,建立模型計(jì)算分析,6個(gè)工況:①托換頂板、梁施工;②對(duì)角挖土、柱子底板施工;③另外對(duì)角挖土、柱子底板施工;④頂板下土體開挖等工況分別模擬。整個(gè)托換過程三維模型見圖1。

        圖1 托換頂板模型

        5 數(shù)值模型柱腳沉降分析

        通過上述模擬,記錄整理各個(gè)工況沉降值。為了更加清晰直接地反映沉降規(guī)律,將各個(gè)工況的柱腳沉降數(shù)值繪制成折線圖,見圖2所示。

        根據(jù)數(shù)值模擬得到的沉降數(shù)值,得出各個(gè)工況沉降規(guī)律:

        (1)由圖2可知一、三、五 3個(gè)工況沉降值比較小,并且沉降走勢(shì)類似,基本呈現(xiàn)“盆式沉降”,沉降數(shù)值中柱大于角柱。

        (2)二 、四工況不均勻沉降值較大,說明沉降受挖土影響較大。部分柱腳沉降值大于規(guī)范值,所以在建筑基礎(chǔ)托換全過程中土方開挖是至關(guān)重要的工序,需要提前編制合理的開挖方案以及必要的專家論證。

        6 總結(jié)

        通過ABAQUS建立三維模型,進(jìn)行了板式基礎(chǔ)托換技術(shù)研究,著重模擬了不同工況下柱子的沉降,進(jìn)而分析總結(jié)基礎(chǔ)托換過程中柱腳的沉降規(guī)律,本文采用的是新型十字板托換方法,為地下增層研究提供指導(dǎo)。既有建筑地下增層技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)、巖土、支護(hù)等多個(gè)方面,技術(shù)研究非常復(fù)雜。本文主要研究板式托換法對(duì)結(jié)構(gòu)沉降的影響,但是研究相對(duì)片面,很多研究不夠完善,如數(shù)值模擬方面:需要針對(duì)不同的基礎(chǔ)形式、結(jié)構(gòu)形式開展進(jìn)一步的研究。模型試驗(yàn)方面:需要研究不同的開挖形式對(duì)結(jié)構(gòu)沉降的影響。

        圖2 各個(gè)工況柱腳沉降值

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