林雨濃, 孫德暢, 張朝慧, 鄭金伙, 饒武斌, 李欣, 李海鋒

(1. 華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院, 福建 廈門 361021;2. 上海寶冶集團(tuán)有限公司, 上海 201941;3. 廈門安捷建筑工程有限公司, 福建 廈門 361100;4. 福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 福建 福州 350001)

兼顧安全、綠色經(jīng)濟(jì)及施工進(jìn)度三方面的考慮,裝配式張弦梁鋼支撐具有較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和良好的應(yīng)用前景[1-3].預(yù)應(yīng)力張弦梁是裝配式張弦梁鋼支撐結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分,包含鋼拉桿、鋼撐桿等,與混凝土冠梁形成自平衡的受力體系.張弦梁結(jié)構(gòu)是由剛性構(gòu)件上弦、柔性拉索、中間連以撐桿形成的新型自平衡體系,最早由日本Nihon大學(xué)的Saitoh教授[4]于1984年提出.Saitoh[4]基于線性理論對(duì)預(yù)應(yīng)力張弦梁的受力性能進(jìn)行了研究.Kato等[5]研究了預(yù)應(yīng)力對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的控制作用.馬美玲[6]指出單榀張弦梁結(jié)構(gòu)的撐桿數(shù)目、垂夸比、高跨比和梁的慣性矩、截面面積及截面特性都會(huì)影響結(jié)構(gòu)的靜力性能.劉錫良等[7]指出張弦梁結(jié)構(gòu)對(duì)非對(duì)稱荷載反應(yīng)敏感.劉晟等[8]在對(duì)上海源深體育館預(yù)應(yīng)力張弦梁的計(jì)算中指出,張弦梁結(jié)構(gòu)變形與荷載基本呈線性關(guān)系,且對(duì)矢跨比、上弦截面尺寸和下弦鋼索面積等參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案對(duì)比[9].王彥宏[10]對(duì)甘肅體育館項(xiàng)目張弦梁屋架進(jìn)行有限元分析,驗(yàn)證了有限元模擬的有效性.

預(yù)應(yīng)力張弦梁鋼支撐在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用尚處于起步階段,將其作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能分析較少.Kim等[11]提出一種由鋼絞線、H型鋼撐桿和腰梁等構(gòu)成的預(yù)應(yīng)力魚腹梁內(nèi)支撐體系.Mana等[12]通過(guò)數(shù)值模擬,探討支撐預(yù)應(yīng)力對(duì)基坑變形的影響規(guī)律,研究表明,當(dāng)對(duì)支撐施加的預(yù)應(yīng)力控制在合理范圍時(shí),可以有效減小基坑變形.O′Rourke等[13]對(duì)比模型的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果,分析研究發(fā)現(xiàn),鋼支撐施加預(yù)應(yīng)軸力可以有效控制基坑變形.曹進(jìn)等[14]利用Midas分析張弦梁支撐的變形及其影響.曾紅生[15]對(duì)某公共基坑項(xiàng)目的張弦梁支撐進(jìn)行受力性能分析,分析得到張弦梁鋼支撐整體受力水平均勻,可以很好地限制基坑變形.

基坑土體受力是一個(gè)立體的三維受力過(guò)程,而大部分學(xué)者的數(shù)值模擬僅通過(guò)單元選取不利截面,將單元計(jì)算支撐力結(jié)構(gòu)引用到二維平面計(jì)算中,與實(shí)際存在偏差.因此,本文對(duì)實(shí)際工程基坑內(nèi)支撐中裝配式張弦梁鋼支撐的張弦梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析裝配式張弦梁鋼支撐的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能.

1 工程概況

基坑項(xiàng)目位于廈門思明區(qū),場(chǎng)地四周環(huán)境較復(fù)雜.場(chǎng)地西北側(cè)為填海湖;中間為公園景觀綠化;南側(cè)約6 m處為圍墻,圍墻外為道路;西側(cè)約20米處為圍墻;東側(cè)為內(nèi)部道路,路寬約4 m;隔路為辦公樓.

基坑開(kāi)挖支護(hù)的構(gòu)筑物為調(diào)蓄池,構(gòu)筑物基底標(biāo)高為-8.85～-12.05 m,基坑深度為9.75～12.95 m.擬建基坑側(cè)壁為雜填土、素填土、淤泥層、中砂層等;基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)失效、土體過(guò)大變形對(duì)主體結(jié)構(gòu)施工安全的影響嚴(yán)重,根據(jù)相關(guān)規(guī)范綜合判定,擬建項(xiàng)目基坑工程側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí).基坑鋼支撐布置平面,如圖1所示.

(a) 第1道鋼支撐 (b) 第2道鋼支撐

綜合考慮地質(zhì)、環(huán)境、挖深等因素,本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、方便施工的原則,基坑采用的支護(hù)方案為鉆孔灌注樁+2道張弦梁鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐.每一道鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐包括2套張弦梁,2 個(gè)桁架對(duì)撐和4個(gè)桁架角撐.

2 張弦梁有限元建模分析

2.1 有限元建模

結(jié)合實(shí)際的工程尺寸,在CAD軟件中取第1道鋼支撐張弦梁部分按照1∶1建模后,導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行有限元數(shù)值模擬.數(shù)值模擬以實(shí)際工程的預(yù)應(yīng)力張弦梁鋼支撐體系為對(duì)象,建立三維實(shí)體-梁-桁架混合有限元模型,考慮材料與幾何非線性,模擬冠梁底部樁基彈性支承作用,進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張弦梁的受力性能研究.

2.1.1 有限元模型 采用桿系-實(shí)體單元建立預(yù)應(yīng)力張弦梁有限元模型,如圖2所示.選取冠梁兩牛腿間部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,冠梁寬1 200 mm,高1 000 mm,建?？紤]冠梁配筋.冠梁、墊塊采用ABAQUS 程序單元庫(kù)中的8節(jié)點(diǎn)六面體單元C3D8R.C3D8R 單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有3個(gè)平動(dòng)自由度(UX,UY,UZ);拉桿、鋼筋采用 ABAQUS 程序單元庫(kù)中的桁架單元T3D2,僅考慮其軸向力,箍筋區(qū)分加密區(qū)和非加密區(qū);鋼撐桿采用B31單元,考慮其彎曲和軸向力.

(a) 冠梁 (b) 冠梁鋼筋

2.1.2 材料特性及截面信息 材料特性及截面信息,如表1,2所示.表1中:E為彈性模量;ρ為密度.

表1 材料特性

表2 材料截面信息

2.1.3 邊界條件 建模分析采用笛卡爾直角坐標(biāo)系,X軸位于冠梁長(zhǎng)邊方向,Y軸位于冠梁垂直向內(nèi)基坑方向,Z軸豎直向上于冠梁平面.桿件之間的連接按鉸接計(jì)算,撐桿按軸壓構(gòu)件計(jì)算.分析選取包含所有兩牛腿之間的冠梁及張弦梁部分進(jìn)行建模,邊界條件為對(duì)撐牛腿處鉸接,拉桿和撐桿連接處設(shè)置豎向(Z向)約束.張弦梁模型邊界條件,如圖3所示.在考慮樁基支承時(shí),在冠梁底面設(shè)置豎向(Z向)約束和Y向的彈簧連接,其節(jié)點(diǎn)彈簧布置,如圖4所示.將土壓力等效為面荷載施加在冠梁上,并對(duì)撐桿施加預(yù)應(yīng)力.冠梁底面采用鉆孔灌注樁進(jìn)行支護(hù),其中,鉆孔灌注樁直徑為1 000 mm,樁間距200 mm,樁的計(jì)算長(zhǎng)度取 10 000 mm,冠梁的建模長(zhǎng)度為35 843 mm,故冠梁底部約布置30根鉆孔灌注樁.

圖3 張弦梁模型邊界條件 圖4 節(jié)點(diǎn)彈簧布置

根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[16]中樁身抗彎剛度的設(shè)計(jì)規(guī)范,假設(shè)單根樁的端部約束為固定端約束,進(jìn)而得到單根樁的抗側(cè)剛度.將冠梁底部所有樁的抗側(cè)剛度之和平均分配到冠梁底部節(jié)點(diǎn)上,得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的彈簧剛度.

將總剛度平均分配到底面各節(jié)點(diǎn)(底面節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 091),計(jì)算得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配到的剛度值約為2 947 N·mm-1.取樁的計(jì)算長(zhǎng)度分別為5 000,6 000,8 000,10 000,12 000 mm,求得其對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)側(cè)向剛度,如表3所示.表3中:L為樁的計(jì)算長(zhǎng)度;K0為單樁抗側(cè)剛度;Ks為抗側(cè)剛度之和;Kt為節(jié)點(diǎn)彈簧剛度.

表3 不同樁計(jì)算長(zhǎng)度下的節(jié)點(diǎn)側(cè)向剛度

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了分析張弦梁鋼支撐的受力機(jī)理,探討有限元模擬的準(zhǔn)確性,取樁的計(jì)算長(zhǎng)度為10 000 mm,對(duì)預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移進(jìn)行數(shù)值模擬,其有限元計(jì)算云圖,如圖5所示.圖5中:σc為撐桿最大Mises應(yīng)力;σl為拉桿最大Mises應(yīng)力;Δ為冠梁跨中向坑內(nèi)位移.

(a) 撐桿最大Mises應(yīng)力 (b) 拉桿最大Mises應(yīng)力 (c) 冠梁跨中向坑內(nèi)位移

由圖5可知:張弦梁的總體最大位移在上弦冠梁跨中部分,冠梁向坑內(nèi)最大位移為5.975 mm;由于張弦梁下弦的形狀為類拋物線,從中跨到邊跨的鋼拉桿與上弦桿的角度越來(lái)越大,張弦梁邊跨所受的拉力也會(huì)最大;施加預(yù)應(yīng)力后,基坑土壓力通過(guò)冠梁傳遞給撐桿,撐桿再將壓力傳給高強(qiáng)鋼拉桿,高強(qiáng)鋼拉桿受拉,最終將拉力傳遞給對(duì)撐支座;冠梁牛腿部位由于對(duì)撐作用,位移變形小;撐桿的最大Mises應(yīng)力在中部撐桿處為11.81 MPa;拉桿的中跨應(yīng)力較小,其最大Mises應(yīng)力在張弦梁拉桿邊跨處為54.60 MPa.

張弦梁冠梁跨中結(jié)構(gòu)處基坑水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖,如圖6所示.監(jiān)測(cè)點(diǎn)SJ14在第93～96次監(jiān)測(cè)到的基坑水平位移累計(jì)變化值分別為6.59,6.71,6.83,6.85 mm.由圖5可知:監(jiān)測(cè)結(jié)果和模擬結(jié)果比較接近,變化曲線和云圖較吻合,因此,模擬結(jié)果對(duì)實(shí)際的工程具有指導(dǎo)意義.

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2.3 張弦梁承載能力影響分析

2.3.1 撐桿預(yù)應(yīng)力 張弦梁是一種剛?cè)犭s交的自平衡體系[17],在承受荷載之前,預(yù)應(yīng)力的施加會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的起拱值[18],從而減少其在荷載作用下結(jié)構(gòu)的撓度.張弦梁鋼支撐中,在基坑外部的水土壓力影響下,基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向基坑內(nèi)的位移,待支撐設(shè)置完畢后,對(duì)張弦梁的撐桿、對(duì)撐、角撐施加預(yù)應(yīng)力以控制基坑位移,隨著預(yù)應(yīng)力的增大,張弦梁的撐桿將力傳至冠梁或圍檁處,使支護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑外產(chǎn)生預(yù)先位移;當(dāng)基坑開(kāi)挖深度增大時(shí),產(chǎn)生的預(yù)先位移可以減小為由主動(dòng)土壓力產(chǎn)生向基坑內(nèi)部的位移,從而對(duì)基坑變形產(chǎn)生有效干預(yù).預(yù)應(yīng)力的數(shù)值不能太小,如果太小,下弦拉桿可能會(huì)因?yàn)槭ダΧ顺龉ぷ?破壞了其自平衡體系;反之,如果太大,會(huì)使部分桿件軸力加大,用鋼量增大.因此,撐桿預(yù)應(yīng)力的大小對(duì)結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作至關(guān)重要.

為了明晰預(yù)應(yīng)力對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響,在其他參數(shù)相同的情況下,分析不同撐桿預(yù)應(yīng)力對(duì)撐桿、拉桿最大Mises應(yīng)力和冠梁跨中向坑內(nèi)位移的影響,結(jié)果如圖7所示.圖7中:P為撐桿預(yù)應(yīng)力.

(a) 撐桿最大Mises應(yīng)力 (b) 拉桿最大Mises應(yīng)力 (c) 冠梁跨中向坑內(nèi)位移

由圖7可知:隨著撐桿預(yù)應(yīng)力的增大,張弦梁撐桿、拉桿最大Mises應(yīng)力增大,冠梁跨中向坑內(nèi)位移逐漸減小;當(dāng)預(yù)應(yīng)力從0 kN增大到2 000 kN時(shí),撐桿最大Mises應(yīng)力增大了38%,拉桿最大Mises應(yīng)力增大了39%,冠梁跨中向坑內(nèi)位移減小了15%.由此可見(jiàn),張弦梁系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力的施加會(huì)使張弦梁承受更大的荷載,來(lái)?yè)Q取上弦冠梁跨中向坑內(nèi)變形量的減少.當(dāng)預(yù)應(yīng)力增加到900 kN后,預(yù)應(yīng)力的變化對(duì)冠梁跨中向坑內(nèi)位移影響較小,但撐桿、拉桿的最大Mises應(yīng)力仍顯著變大,因此,在符合實(shí)際工程的情況下,應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基坑變形,合理地分步施加預(yù)應(yīng)力值,以達(dá)到基坑穩(wěn)定性的要求,并減少用鋼量.

2.3.2 撐桿截面 張弦梁鋼支撐系統(tǒng)中撐桿對(duì)上弦冠梁起彈性支撐的作用,并傳遞土壓力到高強(qiáng)度拉桿,形成整體協(xié)同受力的支撐體系.由于張弦梁鋼支撐是裝配式構(gòu)件,撐桿和拉桿為標(biāo)準(zhǔn)件,在其他參數(shù)相同的情況下,設(shè)置張弦梁撐桿截面A1～A3的截面尺寸分別為BH300 mm×300 mm×16 mm×16 mm(SA1=13 888 mm2),BH400 mm×400 mm×22 mm×22 mm(SA2=25 432 mm2),BH500 mm×500 mm×25 mm×25 mm(SA3=25 900 mm2),研究不同撐桿截面對(duì)撐桿、拉桿最大Mises應(yīng)力和冠梁跨中向坑內(nèi)位移的影響,結(jié)果如圖8所示.

(a) 撐桿最大Mises應(yīng)力 (b) 拉桿最大Mises應(yīng)力 (c) 冠梁跨中向坑內(nèi)位移

由圖8可知:隨著撐桿截面的增大,張弦梁的撐桿、拉桿最大Mises應(yīng)力及冠梁跨中向坑內(nèi)位移變化不明顯;在撐桿截面面積增大86%情況下,撐桿最大Mises應(yīng)力減小了2%,拉桿最大Mises應(yīng)力減小了5%,冠梁跨中向坑內(nèi)位移減小了0.9%.因此,撐桿截面的大小對(duì)張弦梁承載能力影響很小.

2.3.3 冠梁截面尺寸 冠梁是基坑內(nèi)支撐的重要組成部分,一般作為安全儲(chǔ)備不加以計(jì)算.在張弦梁鋼支撐體系中,冠梁作為上弦部分與支撐體系協(xié)同變形.因此,冠梁的受力及變形是支撐體系穩(wěn)定變形的重要影響因素.冠梁中點(diǎn)的側(cè)向剛度隨截面高度的增大呈線性增大,隨截面寬度的增大呈非線性增大[19].因此,在其他參數(shù)相同的情況下,設(shè)置混凝土冠梁截面尺寸分別為1 200 mm×1 000 mm,1 500 mm×1 000 mm,2 000 mm×1 000 mm,研究不同冠梁截面尺寸對(duì)撐桿、拉桿最大Mises應(yīng)力和冠梁跨中向坑內(nèi)位移的影響,結(jié)果如圖9所示.

(a) 撐桿最大Mises應(yīng)力 (b) 拉桿最大Mises應(yīng)力 (c) 冠梁跨中向坑內(nèi)位移

由圖9可知:隨著冠梁截面的增大,張弦梁撐桿、拉桿最大Mises應(yīng)力增大不明顯,冠梁跨中向坑內(nèi)位移略微減小;當(dāng)冠梁桿截面面積增大66%時(shí),撐桿最大Mises應(yīng)力減小了2%,拉桿最大Mises應(yīng)力減小了5%,冠梁跨中向坑內(nèi)位移減小了0.9%.因此,冠梁截面尺寸的增大對(duì)張弦梁承載能力影響很小.在實(shí)際工程中,無(wú)限制地增大冠梁截面尺寸來(lái)提高剛度是不現(xiàn)實(shí)的.對(duì)于張弦梁支撐系統(tǒng)來(lái)說(shuō),冠梁截面尺寸滿足設(shè)計(jì)要求即可.

2.3.4 樁基側(cè)向剛度 冠梁與排樁之間存在顯著的協(xié)同作用.冠梁的作用是約束和協(xié)調(diào)各樁的受力和變形,使支護(hù)結(jié)構(gòu)成為一個(gè)整體[19].在土壓力作用下,排樁和冠梁一起向坑內(nèi)側(cè)向變形.同時(shí),冠梁對(duì)排樁的位移有約束作用,排樁和冠梁之間的約束作用通過(guò)它們之間的作用力和反作用力實(shí)現(xiàn).因此,為了分析支護(hù)樁對(duì)張弦梁支撐結(jié)構(gòu)的影響,根據(jù)有限元模擬中彈簧模擬樁基側(cè)向剛度,設(shè)置樁基側(cè)向剛度(Kz)分別為872,1 705,2 947,5 755 N·mm-1,研究不同樁基側(cè)向剛度對(duì)撐桿、拉桿最大Mises應(yīng)力和冠梁跨中向坑內(nèi)位移的影響,結(jié)果如圖10所示.

(a) 撐桿最大Mises應(yīng)力 (b) 拉桿最大Mises應(yīng)力 (c) 冠梁跨中向坑內(nèi)位移

由圖10可知:隨著樁基側(cè)向剛度的增大,張弦梁撐桿、拉桿最大Mises應(yīng)力明顯減小,冠梁跨中向坑內(nèi)位移明顯減小;當(dāng)樁基側(cè)向剛度減小42%時(shí),撐桿最大Mises應(yīng)力增大了47%,拉桿最大Mises應(yīng)力增大了45%,冠梁跨中向坑內(nèi)位移增大了61%.這是因?yàn)榕艠秾?duì)冠梁的作用力指向基坑內(nèi)側(cè),迫使冠梁向基坑內(nèi)側(cè)位移,兩者的變形一致,即冠梁的水平位移等于樁頂?shù)乃轿灰?在土壓力作用下,冠梁底部的樁基限制了冠梁的變形,并與冠梁協(xié)同受力,共同維護(hù)著基坑支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定.因此,樁基側(cè)向剛度的大小對(duì)張弦梁承載能力起重要作用.

3 整體結(jié)構(gòu)有限元建模分析

3.1 建模要點(diǎn)

根據(jù)實(shí)際工程情況,適度簡(jiǎn)化基礎(chǔ)模型,利用Midas有限元分析軟件,將裝配式張弦梁鋼支撐系統(tǒng)及周圍實(shí)際情況反映到有限元分析模型中.

3.1.1 基坑外地層影響范圍 在建模過(guò)程中,需要確定合適的地層分析范圍.地層是連續(xù)不間斷的,但施工過(guò)程中造成的基坑地層影響面積有限,因此,只需分析基坑開(kāi)挖和施工期間地層可能受到影響的面積.為確保精確模擬,建模過(guò)程中盡可能消除邊界效應(yīng).基坑外地層影響范圍,如圖11所示.圖11中:H為基坑設(shè)計(jì)深度,m;φ為巖土體的內(nèi)摩擦角,(°);基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)存在基巖時(shí),H為覆蓋土層和基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚度之和;工程影響分區(qū)的劃分界線取0.7H或H·tan(45°-φ/2)的較大值.

圖11 基坑外地層影響范圍

3.1.2 構(gòu)件的模擬單元 在裝配式張弦梁鋼支撐有限元分析過(guò)程中,張弦梁上弦梁即冠(腰)梁和張弦梁撐桿采用梁?jiǎn)卧?張弦梁拉桿采用桁架單元,對(duì)撐和角撐及其腹桿采用桿單元.圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元進(jìn)行模擬;地下連續(xù)墻的厚度為模擬單元板的厚度;支護(hù)樁轉(zhuǎn)化為地下連續(xù)墻進(jìn)行模擬,其等效剛度公式為

式中:D為支護(hù)樁間凈距,m;d為支護(hù)樁直徑,m;h為等效轉(zhuǎn)換后的地下連續(xù)墻厚度,m.

3.1.3 材料屬性選擇 選擇“修正莫爾-庫(kù)侖”作為土體的材料模型,“彈性”作為鋼材的材料模型.修正莫爾-庫(kù)侖模型是一種改進(jìn)的莫爾-庫(kù)侖模型,適用于各種類型的地基模型,包括軟土和硬土,尤其是具有摩擦特性的材料,如沙子.土體材料特性包括彈性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角等.

3.1.4 幾何網(wǎng)格劃分 在基坑內(nèi)對(duì)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分.為了確保立柱與基坑內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)耦合,基坑的3D單元可以與立柱的1D單元同時(shí)生成,立柱通過(guò)自動(dòng)印刻到基坑.生成網(wǎng)格后,可以通過(guò)析取功能從冠梁生成圍檁的1D元素和圍護(hù)樁的2D元素,而張弦梁系統(tǒng)的其他單元可以通過(guò)尺寸劃分生成1D元素.基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型示意圖,如圖12所示.

3.1.5 荷載和邊界條件設(shè)置 模型邊界條件和荷載示意圖,如圖13所示.基礎(chǔ)底板與圍護(hù)系統(tǒng)間的節(jié)點(diǎn)耦合通過(guò)印刻連接功能實(shí)現(xiàn).為了模擬相對(duì)剛度差異較大的基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)之間的問(wèn)題,在基礎(chǔ)底板與灌注樁中加入剛性連接.同時(shí),注意在灌注樁施工過(guò)程中斷開(kāi)剛性連接.當(dāng)加固基礎(chǔ)底板或樁身時(shí),可在施工階段分析中添加材料特性變化的工況,且材料特性變化不會(huì)影響前一施工階段的分析結(jié)果.

圖13 模型邊界條件和荷載示意圖

3.1.6 施工階段 施工階段主要有以下7個(gè)步驟:1) 初始應(yīng)力場(chǎng)分析;2) 圍護(hù)樁支護(hù);3) 開(kāi)挖到冠梁底標(biāo)高下0.5 m(開(kāi)挖階段1);4) 安裝第1道張弦梁鋼支撐并施加預(yù)應(yīng)力(開(kāi)挖階段2);5) 開(kāi)挖到第1道支撐下0.5 m(開(kāi)挖階段3);6) 安裝第2道張弦梁鋼支撐并施加預(yù)應(yīng)力(開(kāi)挖階段4);7) 開(kāi)挖到基坑底部(開(kāi)挖階段5).模擬分析將模型分為5個(gè)開(kāi)挖階段,模型施工中的開(kāi)挖階段模型圖,如圖14所示.

3.2 整體模型仿真模擬結(jié)果分析

基坑開(kāi)挖至基坑底部后最大位移為22.11 mm,位于基坑南北側(cè)的跨中部位,基坑變形小于報(bào)警值30 mm,滿足基坑監(jiān)測(cè)控制要求.基坑附近最大水平位移為16 mm,對(duì)周邊環(huán)境影響微弱.整體模型有限元分析位移云圖,如圖15所示.

(a) 基坑X(jué)向水平位移云圖 (b) 基坑Y向水平位移云圖 (c) 基坑往外邊緣的變形圖

由圖15可知:基坑開(kāi)挖過(guò)程沒(méi)有影響到基坑土體范圍以外,表明建立的基坑土體范圍合理,選取的基坑土體影響范圍足夠大;當(dāng)對(duì)張弦梁鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力之后,基坑土體會(huì)預(yù)先對(duì)外產(chǎn)生一個(gè)初始的變形,當(dāng)繼續(xù)向基坑底部開(kāi)挖后,由于被動(dòng)土壓力逐漸增大,土體將會(huì)產(chǎn)生對(duì)基坑內(nèi)的變形,與一開(kāi)始的預(yù)變形相互抵消,直到開(kāi)挖完成后,二者達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài);張弦梁鋼支撐滿足位移變形的要求.

3.3 模擬結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

選取3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)SJ14(張弦梁跨中)、SJ13(對(duì)撐牛腿處)、SJ17(基坑角部)進(jìn)行研究,樁頂圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移(Δv)和水平位移(Δh)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比,如圖16,17所示.

(a) 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) (b) 數(shù)值模擬結(jié)果

由圖16可知:監(jiān)測(cè)點(diǎn)SJ17的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)接近,但變化幅度及最大值相差較大;監(jiān)測(cè)點(diǎn)SJ13,SJ14實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)與模擬結(jié)果基本相同,且豎向位移最大值接近.由圖17可知:監(jiān)測(cè)點(diǎn)SJ17的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本相同,但最大值相差較大;監(jiān)測(cè)點(diǎn)SJ13,SJ14的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本相同,在開(kāi)挖階段2中向基坑外的位移量有差距,但最大值接近.

(a) 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) (b) 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一些偏差,主要有以下3點(diǎn)原因.

1) 土體模型采用修正莫爾-庫(kù)倫模型,土體的實(shí)際變化復(fù)雜得多,無(wú)法做到完全準(zhǔn)確,同時(shí),很多土體參數(shù)應(yīng)用了大量的經(jīng)驗(yàn)值和經(jīng)驗(yàn)參數(shù),導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有所偏差.

2) 在實(shí)際施工過(guò)程中,裝配式張弦梁鋼支撐桿件都是由型鋼組成.桿件施工和加工過(guò)程中存在一些初始缺陷和少部分應(yīng)力集中,同時(shí),桿件在連接完成后,桿件之間的連接處會(huì)繼續(xù)密實(shí),導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力的損失,而數(shù)值模擬過(guò)程不考慮預(yù)應(yīng)力的損失.并且未考慮溫度變化對(duì)桿件預(yù)應(yīng)力的影響,使得模型的數(shù)值模擬結(jié)果相較于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的位移和變形都較小.

3) 數(shù)值模擬分析中忽略了地下水位、施工荷載及降雨的影響,這些因素都會(huì)導(dǎo)致基坑產(chǎn)生較大變形.施工期間存在小部分雨天,對(duì)實(shí)際基坑變形也有較大的影響.

總體而言,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果雖然有差距,但是總體變化趨勢(shì)較吻合,在基坑工程中是可以接受的,因此,數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的參考性.

4 結(jié)論

裝配式張弦梁鋼支撐受力簡(jiǎn)單明確,是一種大跨度預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系,能夠很好地滿足人們對(duì)大跨度空間設(shè)計(jì)的要求.基坑內(nèi)支撐中的張弦梁系統(tǒng)正是利用該特點(diǎn),為基坑提供了超大的開(kāi)挖空間,是一種經(jīng)濟(jì)、高效的支撐系統(tǒng).

1) 張弦梁靠近對(duì)撐部分的拉桿的承載能力對(duì)整個(gè)張弦梁的承載力起決定作用,可以根據(jù)需要加強(qiáng)邊跨鋼拉桿強(qiáng)度,提高整體承載力.

2) 對(duì)張弦梁撐桿逐步施加預(yù)應(yīng)力,冠梁跨中變形減少,張弦梁撐桿和拉桿應(yīng)力增加.故可以充分利用高強(qiáng)拉桿的承載力,對(duì)撐桿施加預(yù)應(yīng)力以達(dá)到減少基坑變形的目的.

3) 撐桿截面尺寸和冠梁截面尺寸的變化對(duì)張弦梁支撐系統(tǒng)中撐桿、拉桿最大Mises應(yīng)力和冠梁跨中向坑內(nèi)位移的影響均較小.

4) 樁基的側(cè)向剛度對(duì)張弦梁支撐系統(tǒng)的影響較大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算樁基的計(jì)算長(zhǎng)度,合理分配樁基側(cè)向剛度,以保證張弦梁系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

5) 通過(guò)有限元分析可知,張弦梁鋼支撐能有效地限制基坑的變形,滿足位移變形的要求.并且數(shù)值模擬結(jié)果的位移變形和變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近,模擬結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性和參考性.