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        基于彈性支點法的鋼圍堰結(jié)構(gòu)空間有限元分析

        2022-11-09 03:05:20安徽省路港工程有限責任公司安徽合肥230022
        安徽建筑 2022年10期
        關(guān)鍵詞:變形混凝土結(jié)構(gòu)

        黃 志 (安徽省路港工程有限責任公司,安徽 合肥 230022)

        近年來,鋼圍堰因其施工快捷、成本可控、可循環(huán)利用等優(yōu)勢,在橋梁下部結(jié)構(gòu)施工支護方面得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的鋼圍堰設(shè)計驗算,多將結(jié)構(gòu)拆解后用傳統(tǒng)力學方法簡化計算,這種計算方式相對保守,造成了一定的資源浪費。本文采用基于彈性支點法的鋼圍堰結(jié)構(gòu)空間有限元分析方法,與實際受力情況更加吻合,計算結(jié)果更加準確可靠。

        1 工程概況

        G5011 蕪合高速公路改擴建WL-01標于K25+890位置,規(guī)劃市政道路江北大道,新建K25+890 分離立交,橋梁結(jié)構(gòu)為4×25m 組合箱梁,橋?qū)?2.0m,橋梁總長106m。上部結(jié)構(gòu)采用預應(yīng)力混凝土(后張)小箱梁,先簡支后連續(xù);下部結(jié)構(gòu)橋臺采用肋板臺,橋墩采用柱式墩,墩臺采用樁基礎(chǔ),施工需要進行路改橋施工(挖除老路建新橋),現(xiàn)樁基已施工結(jié)束,進入下部結(jié)構(gòu)施工工序,因施工現(xiàn)場原地面高差較大且地質(zhì)均為流沙及淤泥層需增設(shè)鋼管樁進行支護施工。

        本基坑斜邊一側(cè)臨通行高速公路,路面高程9.50m,另外三側(cè)地面高程7.00m,坑底高程0.00m(考慮封底混凝土超挖厚度)。支護樁采用P630×14 鋼管樁擋土加拉森鋼板樁止水,鋼管樁樁長18m,拉森鋼板樁樁長15m。共設(shè)置兩道內(nèi)支撐,內(nèi)支撐高程分別為6.50m和3.50m,圍檁采用雙拼HW400×400工字鋼,內(nèi)支撐采用P530×10 鋼管。所有材料均采用Q345B 鋼材。圍堰平面及立面布置分別見圖1和圖2。

        圖1 圍堰平面布置圖

        圖2 圍堰立面布置圖

        2 圍堰整體分析

        2.1 內(nèi)支撐剛度及材料抗力計算

        內(nèi)支撐體系中,內(nèi)支撐采用φ530×10鋼管樁,Q345鋼材,支點剛度系數(shù):

        內(nèi)支撐材料抗力:

        2.2 施工階段分析

        工況一:插入支護樁,降水開挖至高程6.0m;

        工況二:安裝第一道內(nèi)支撐;

        工況三:帶水開挖至坑底;

        工況四:水下澆筑封底混凝土,抽水至高程3.0m;

        工況五:安裝第二道內(nèi)支撐;

        工況六:抽水至封底混凝土頂面。

        2.3 抗傾覆穩(wěn)定性驗算

        單支點參考《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)4.2.2節(jié)。

        多支點參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)附錄V:

        ∑MEp——被動區(qū)抗傾覆作用力矩總和(kN.m/m);

        ∑MEa——主動區(qū)傾覆作用力矩總和(kN.m/m);

        Kt——帶支撐樁、墻式支護抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù),取Kt≥1.30。

        經(jīng)分析可知安全系數(shù)最小的工況號:工況三。

        最小安全Kt=1.59>1.30,滿足規(guī)范抗傾覆要求。

        2.4 封底混凝土整體抗浮驗算

        封底混凝土主要承受自重、內(nèi)外水頭差產(chǎn)生的浮托力、鋼護筒提供的握裹力以及封底混凝土與支護結(jié)構(gòu)的摩擦力作用,受力計算如下:

        樁基外徑為1.2m,共8根;

        鋼與混凝土粘結(jié)力取150kN/m2;混凝土容重:23kN/m3;

        水的浮力P=γV0=10×(7-1.074+h)×244=14459.44+2440h;

        封底混凝土自重G=γV1=23×h×244=5612h;

        封底混凝土與樁基的粘聚力N1=8×180×3.14×1.2×h=5426h

        封底混凝土與鋼板樁的粘聚力N2=70×h×180=12600h

        (G+N1+N2)/P≥1.05, 解 得 h≥0.72m,取封底混凝土厚度h=1m。

        2.5 抗隆起、滲透穩(wěn)定性驗算

        本工程采用水下澆筑封底混凝土,封底混凝土與先前施工完成的鉆孔灌注樁粘結(jié)力強,可不進行抗隆起及滲透穩(wěn)定性驗算。

        3 結(jié)構(gòu)強度驗算

        土體對結(jié)構(gòu)的約束作用與其他支承不同,支護樁打入土體后,土體在外力的作用下,會產(chǎn)生一定的變形量,且這種變形量不可忽略。此外,內(nèi)支撐作為支護樁的支承,它的變形影響同樣是不可忽略的。因此,將土體或內(nèi)支撐簡化為固定支座或鉸支座均不符合實際情況。本設(shè)計案例,將錨固段基坑內(nèi)側(cè)土體模擬為彈性支座,支座剛度通過土體抗剪強度指標和埋深計算得出。內(nèi)支撐與圍檁間采用角焊縫滿焊,可近似認為剛接。圍檁與支護樁采用節(jié)點彈性連接,剛度系數(shù)根據(jù)實際連接方式合理確定。

        3.1 邊界條件確定

        用MIDAS CIVIL 有限元軟件建立模型,支護樁、圍檁、內(nèi)支撐采用梁單元模擬,支護樁底部提供豎向支撐,被動土壓力區(qū)采用節(jié)點彈性支承模擬土彈簧,圍檁與支護樁之間采用彈性連接和僅受壓連接模擬(牛腿處采用節(jié)點彈性連接,其他地方僅采用受壓連接),支撐與圍檁間共節(jié)點處理。整個模型共有節(jié)點1868 個,單元1876 個,一般支承69 處,節(jié)點彈性支承621處,彈性連接96個。

        3.2 主動土壓力計算

        根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012),作用在支護結(jié)構(gòu)上的主動土壓力強度應(yīng)按下列規(guī)定確定。

        對于水位以上或水土合算的土層:

        式中:

        Pak為支護結(jié)構(gòu)外側(cè),第i 層土中計算點的主動土壓力強度標準值(kPa);

        σak為支護結(jié)構(gòu)外側(cè)計算點的土中豎向應(yīng)力標準值(kPa);

        Ci、φi分 別 為 第i 層 土 的 粘 聚 力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°)。

        對于水土分算的土層:

        式中:

        ua-支護結(jié)構(gòu)外側(cè)計算點的水壓力(kPa)。

        根據(jù)勘察報告,選用CZK11 鉆孔,分層計算作用在支護結(jié)構(gòu)上的各層朗肯主動土壓力,超載按照20kPa 均布荷載考慮。計算結(jié)果見表1(表中高程自現(xiàn)有高速公路頂面算起)。

        作用在支護結(jié)構(gòu)上的土壓力強度標準值 表1

        3.3 基坑內(nèi)側(cè)土彈簧剛度系數(shù)計算

        根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)4.1.6 條,土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)可按下列經(jīng)驗公式計算:

        式中:

        m 為土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)(MN/m4);

        C、φ分別為土的粘聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°);

        vb為擋土構(gòu)件在坑底處的水平位移量(mm),可取10mm。

        采用上式計算并參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)5.7.5 條,取②層土m=8MN/m4,④層土m=6MN/m4,③、⑤層土m=5MN/m4。

        基坑內(nèi)側(cè)各層土彈簧剛度系數(shù)按照以下公式計算:

        式中:

        k:土彈簧剛度系數(shù)(kN/m);

        z、a、b:計算點深度、寬度、高度(m)。

        計算工況五各點土彈簧剛度系數(shù)結(jié)果見表2,其他工況參照計算。

        工況五對應(yīng)的土彈簧 表2

        3.4 結(jié)構(gòu)變形計算

        根據(jù)輸出結(jié)果,支護樁最大水平變形發(fā)生在工況三,最大變形46mm,位于樁頂以下8m 處。根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》3.1.8 條文說明,支護樁支護結(jié)構(gòu)最大水平位移限值取0.01h=85mm滿足要求,輸出結(jié)果見圖3。

        圖3 支護結(jié)構(gòu)變形云圖

        根據(jù)《 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB50017-2017),內(nèi)支撐最大允許撓度為l/400=7.5mm,根據(jù)輸出結(jié)果,內(nèi)支撐最大位移17.5mm,扣除支護樁累計位移,滿足撓度限值要求,輸出結(jié)果見圖4。

        圖4 內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)變形云圖

        3.5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算

        支護樁及內(nèi)支撐系統(tǒng)均采用Q345鋼材,抗壓、抗彎強度設(shè)計值為295MPa。根據(jù)輸出結(jié)果,工況三結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力133MPa<295MPa,滿足要求,輸出結(jié)果見圖5。

        圖5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

        4 總結(jié)

        ①鋼圍堰傳統(tǒng)算法中,一般是將整個圍堰結(jié)構(gòu)拆解為支護結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)分別計算。支護結(jié)構(gòu)采用等值梁法計算。內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)按照平面結(jié)構(gòu)進行分析驗算,其中對撐與斜撐按照受壓構(gòu)件分析,圍檁按照以支點為鉸支座的連續(xù)梁計算,支護結(jié)構(gòu)傳至內(nèi)支撐系統(tǒng)的線荷載取支護結(jié)構(gòu)分析得出的支點力。根據(jù)以往工程經(jīng)驗,該種算法相對保守,計算結(jié)果與施工現(xiàn)場實際監(jiān)測結(jié)果相差較大,造成了不必要的材料浪費,且無法精準分析出局部受力薄弱位置。

        ②實際工程中,鋼圍堰支護樁與圍檁和內(nèi)支撐系統(tǒng)通過牛腿、焊接等連接方式形成整體空間結(jié)構(gòu),共同受力。通過MIDAS CIVIL 軟件建立空間有限元模型,可以考慮內(nèi)支撐系統(tǒng)與支護樁的變形協(xié)調(diào),并且在輸出結(jié)果中能夠直觀看到鋼圍堰在各工況下的應(yīng)力和變形,找出應(yīng)力與變形較大的構(gòu)件,施工時可針對受力薄弱點進行局部加強,減少因局部破壞造成整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的安全風險。

        ③經(jīng)驗算,在各工況下,鋼圍堰結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、穩(wěn)定性滿足要求。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果,鋼圍堰實際應(yīng)力變形與計算值偏差在10%以內(nèi),基于彈性支點法的鋼圍堰結(jié)構(gòu)空間有限元分析計算方法合理準確。

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