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)計研究院有限公司, 福建 福州 350001)

兼顧安全、綠色經(jīng)濟及施工進度三方面的考慮,裝配式張弦梁鋼支撐具有較大的社會經(jīng)濟效益和良好的應(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]基于線性理論對預(yù)應(yīng)力張弦梁的受力性能進行了研究.Kato等[5]研究了預(yù)應(yīng)力對張弦梁結(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)對非對稱荷載反應(yīng)敏感.劉晟等[8]在對上海源深體育館預(yù)應(yīng)力張弦梁的計算中指出,張弦梁結(jié)構(gòu)變形與荷載基本呈線性關(guān)系,且對矢跨比、上弦截面尺寸和下弦鋼索面積等參數(shù)進行結(jié)構(gòu)方案對比[9].王彥宏[10]對甘肅體育館項目張弦梁屋架進行有限元分析,驗證了有限元模擬的有效性.

預(yù)應(yīng)力張弦梁鋼支撐在國內(nèi)外的應(yīng)用尚處于起步階段,將其作為基坑支護結(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]通過數(shù)值模擬,探討支撐預(yù)應(yīng)力對基坑變形的影響規(guī)律,研究表明,當(dāng)對支撐施加的預(yù)應(yīng)力控制在合理范圍時,可以有效減小基坑變形.O′Rourke等[13]對比模型的計算結(jié)果與現(xiàn)場實測的結(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.曹進等[14]利用Midas分析張弦梁支撐的變形及其影響.曾紅生[15]對某公共基坑項目的張弦梁支撐進行受力性能分析,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立體的三維受力過程,而大部分學(xué)者的數(shù)值模擬僅通過單元選取不利截面,將單元計算支撐力結(jié)構(gòu)引用到二維平面計算中,與實際存在偏差.因此,本文對實際工程基坑內(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

基坑項目位于廈門思明區(qū),場地四周環(huán)境較復(fù)雜.場地西北側(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.

基坑開挖支護的構(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;基坑支護結(jié)構(gòu)失效、土體過大變形對主體結(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,擬建項目基坑工程側(cè)壁安全等級為一級.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)濟合理、技術(shù)可行、方便施工的原則,基坑采用的支護方案為鉆孔灌注樁+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 個桁架對撐和4個桁架角撐.

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中進行有限元數(shù)值模擬.數(shù)值模擬以實際工程的預(yù)應(yīng)力張弦梁鋼支撐體系為對象,建立三維實體-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 程序單元庫中的8節(jié)點六面體單元C3D8R.C3D8R 單元每個節(jié)點均有3個平動自由度(UX,UY,UZ);拉桿、鋼筋采用 ABAQUS 程序單元庫中的桁架單元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算,撐桿按軸壓構(gòu)件計算.分析選取包含所有兩牛腿之間的冠梁及張弦梁部分進行建模,邊界條件為對撐牛腿處鉸接,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,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,并對撐桿施加預(yù)應(yīng)力.冠梁底面采用鉆孔灌注樁進行支護,其中,鉆孔灌注樁直徑為1 000 mm,樁間距200 mm,樁的計算長度取 10 000 mm,冠梁的建模長度為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)計規(guī)范,假設(shè)單根樁的端部約束為固定端約束,進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)點上,得到各個節(jié)點的彈簧剛度.

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

表3 不同樁計算長度下的節(jié)點側(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理,探討有限元模擬的準(zhǔn)確性,取樁的計算長度為10 000 mm,對預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移進行數(shù)值模擬,其有限元計算云圖,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越大,張弦梁邊跨所受的拉力也會最大;施加預(yù)應(yīng)力后,基坑土壓力通過冠梁傳遞給撐桿,撐桿再將壓力傳給高強鋼拉桿,高強鋼拉桿受拉,最終將拉力傳遞給對撐支座;冠梁牛腿部位由于對撐作用,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)測點布置圖,如圖6所示.監(jiān)測點SJ14在第93～96次監(jiān)測到的基坑水平位移累計變化值分別為6.59,6.71,6.83,6.85 mm.由圖5可知:監(jiān)測結(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)果對實際的工程具有指導(dǎo)意義.

圖6 監(jiān)測點布置圖

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,基坑的支護結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一個向基坑內(nèi)的位移,待支撐設(shè)置完畢后,對張弦梁的撐桿、對撐、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,使支護結(jié)構(gòu)向基坑外產(chǎn)生預(yù)先位移;當(dāng)基坑開挖深度增大時,產(chǎn)生的預(yù)先位移可以減小為由主動土壓力產(chǎn)生向基坑內(nèi)部的位移,從而對基坑變形產(chǎn)生有效干預(yù).預(yù)應(yīng)力的數(shù)值不能太小,如果太小,下弦拉桿可能會因為失去拉力而退出工作,破壞了其自平衡體系;反之,如果太大,會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,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,張弦梁系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力的施加會使張弦梁承受更大的荷載,來換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,在符合實際工程的情況下,應(yīng)實時監(jiān)測基坑變形,合理地分步施加預(yù)應(yīng)力值,以達到基坑穩(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)中撐桿對上弦冠梁起彈性支撐的作用,并傳遞土壓力到高強度拉桿,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,一般作為安全儲備不加以計算.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,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張弦梁承載能力影響很小.在實際工程中,無限制地增大冠梁截面尺寸來提高剛度是不現(xiàn)實的.對于張弦梁支撐系統(tǒng)來說,冠梁截面尺寸滿足設(shè)計要求即可.

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,使支護結(jié)構(gòu)成為一個整體[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,冠梁對排樁的位移有約束作用,排樁和冠梁之間的約束作用通過它們之間的作用力和反作用力實現(xiàn).因此,為了分析支護樁對張弦梁支撐結(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,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%.這是因為排樁對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

根據(jù)實際工程情況,適度簡化基礎(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,但施工過程中造成的基坑地層影響面積有限,因此,只需分析基坑開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)計深度,m;φ為巖土體的內(nèi)摩擦角,(°);基坑開挖范圍內(nèi)存在基巖時,H為覆蓋土層和基巖強風(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程中,張弦梁上弦梁即冠(腰)梁和張弦梁撐桿采用梁單元,張弦梁拉桿采用桁架單元,對撐和角撐及其腹桿采用桿單元.圍護結(jié)構(gòu)采用板單元進行模擬;地下連續(xù)墻的厚度為模擬單元板的厚度;支護樁轉(zhuǎn)化為地下連續(xù)墻進行模擬,其等效剛度公式為

式中:D為支護樁間凈距,m;d為支護樁直徑,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-庫侖模型是一種改進的莫爾-庫侖模型,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)對單元進行網(wǎng)格劃分.為了確保立柱與基坑內(nèi)部的節(jié)點耦合,基坑的3D單元可以與立柱的1D單元同時生成,立柱通過自動印刻到基坑.生成網(wǎng)格后,可以通過析取功能從冠梁生成圍檁的1D元素和圍護樁的2D元素,而張弦梁系統(tǒng)的其他單元可以通過尺寸劃分生成1D元素.基坑圍護結(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)底板與圍護系統(tǒng)間的節(jié)點耦合通過印刻連接功能實現(xiàn).為了模擬相對剛度差異較大的基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)之間的問題,在基礎(chǔ)底板與灌注樁中加入剛性連接.同時,注意在灌注樁施工過程中斷開剛性連接.當(dāng)加固基礎(chǔ)底板或樁身時,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個步驟:1) 初始應(yīng)力場分析;2) 圍護樁支護;3) 開挖到冠梁底標(biāo)高下0.5 m(開挖階段1);4) 安裝第1道張弦梁鋼支撐并施加預(yù)應(yīng)力(開挖階段2);5) 開挖到第1道支撐下0.5 m(開挖階段3);6) 安裝第2道張弦梁鋼支撐并施加預(yù)應(yīng)力(開挖階段4);7) 開挖到基坑底部(開挖階段5).模擬分析將模型分為5個開挖階段,模型施工中的開挖階段模型圖,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,基坑變形小于報警值30 mm,滿足基坑監(jiān)測控制要求.基坑附近最大水平位移為16 mm,對周邊環(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:基坑開挖過程沒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)對張弦梁鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力之后,基坑土體會預(yù)先對外產(chǎn)生一個初始的變形,當(dāng)繼續(xù)向基坑底部開挖后,由于被動土壓力逐漸增大,土體將會產(chǎn)生對基坑內(nèi)的變形,與一開始的預(yù)變形相互抵消,直到開挖完成后,二者達到一個相對穩(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)測數(shù)據(jù)對比

選取3個監(jiān)測點SJ14(張弦梁跨中)、SJ13(對撐牛腿處)、SJ17(基坑角部)進行研究,樁頂圍護結(jié)構(gòu)豎向位移(Δv)和水平位移(Δh)的實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的對比,如圖16,17所示.

(a) 實測數(shù)據(jù) (b) 數(shù)值模擬結(jié)果

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

(a) 實測數(shù)據(jù) (b) 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)存在一些偏差,主要有以下3點原因.

1) 土體模型采用修正莫爾-庫倫模型,土體的實際變化復(fù)雜得多,無法做到完全準(zhǔn)確,同時,很多土體參數(shù)應(yīng)用了大量的經(jīng)驗值和經(jīng)驗參數(shù),導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)有所偏差.

2) 在實際施工過程中,裝配式張弦梁鋼支撐桿件都是由型鋼組成.桿件施工和加工過程中存在一些初始缺陷和少部分應(yīng)力集中,同時,桿件在連接完成后,桿件之間的連接處會繼續(xù)密實,導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力的損失,而數(shù)值模擬過程不考慮預(yù)應(yīng)力的損失.并且未考慮溫度變化對桿件預(yù)應(yīng)力的影響,使得模型的數(shù)值模擬結(jié)果相較于實測數(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,這些因素都會導(dǎo)致基坑產(chǎn)生較大變形.施工期間存在小部分雨天,對實際基坑變形也有較大的影響.

總體而言,實測數(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大跨度空間設(shè)計的要求.基坑內(nèi)支撐中的張弦梁系統(tǒng)正是利用該特點,為基坑提供了超大的開挖空間,是一種經(jīng)濟、高效的支撐系統(tǒng).

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

2) 對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拉桿的承載力,對撐桿施加預(yù)應(yīng)力以達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)向剛度對張弦梁支撐系統(tǒng)的影響較大,設(shè)計時應(yīng)準(zhǔn)確計算樁基的計算長度,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與實測數(shù)據(jù)接近,模擬結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性和參考性.