探究不規(guī)則形狀地下建筑的結構設計

摘 要：本文結合某工程案例，針對不規(guī)則形狀地下建筑結構設計的要點進行詳細闡述，城市地下建筑已經成為空間開發(fā)的重要領域，但地下結構復雜，因此本文針對該類問題進行全面的探討，以供參考。

關鍵詞：結構設計；地下建筑；不規(guī)則形狀；分析計算

0 前言

平面形狀呈扭轉狀的大廳將作為本文論述的一個例子，采用替代框架法、有限元整體分析法以及查彈性理論計算圖表法（以下簡稱查計算圖表法）三種方法分別進行計算。查計算圖表法與替代框架法作為一種較為簡便的計算方法，通常被使用在計算地下構筑物的結構設計中；而有限元分析法由于其計算過程較為繁瑣，通常用于較為細致的計算和分析中。通過上述情況分析，我們不難發(fā)現(xiàn)在不規(guī)則形狀地下建筑等初步結論的計中，較為簡便的查計算圖表法與替代框架法是不適用于其中的。對90°、120°和150°的弧線對應圓角的內力情況還進行了計算，然而由于側墻所受到的外荷載數(shù)值比較小，頂板內力數(shù)值由不同的計算法所得出的數(shù)值存在明顯的差異性，因此以頂板為例，通過計算得出在平面形狀呈弧線扭轉的地下建筑中，弧形角度與彎矩之間的變化規(guī)律。

1 工程背景

本文中的地下綜合管廊工程位于城市的開發(fā)建設區(qū)域中，對其地下空間的具體情況現(xiàn)做如下簡述：地下商業(yè)建筑體位于地下一層，車行環(huán)廊、車行環(huán)廊與停車場位于地下二層，部分設備用房及綜合管廊出線夾層位于地下三層，市政管線綜合管廊則位于地下四層。綜合管廊在地下整體空間中貫穿其中，雙環(huán)交疊狀是其在平面上的呈現(xiàn)模式，其眾多不規(guī)則形狀的空間與弧形墻體的出現(xiàn)，則是功能建設的必要滿足條件。本文則重點對其中一個平面形狀呈扭轉狀的單層大廳作為論述事例。受其空間凈高與設備、管道布置的影響，地下大廳設置了幾根立柱，而立柱間只設置了暗梁。

2 設計計算

2.1 算例

2.1.1 算例概況

算例大廳平面尺寸為：兩直線邊長均為18m，樓層凈高5m，大廳內柱網間距為6m，柱間頂板和樓板內設置暗梁。

2.1.2 荷載工況

設該大廳頂板以上覆土hs 為5m，大廳的頂板和樓板厚度均為700mm，側墻厚度為600mm。土壤天然重度為18kN/m2，土壤飽和重度為10kN/m2，土壤內摩擦角為30°。地下水水位位于頂板以上2m，水重度為10kN/m2。該地下大廳有多種工況，由于覆土計算到地面， 有地下水的外土外水內空工況的荷載較大，故本文選取該工況進行荷載計算。荷載計算如下，設定各荷載名稱為：結構自重為G，L1 為外土荷載，L2 為外水荷載，D1 為地面堆積荷載，D2 為樓面均布活荷載。在地下水位以上土的重力密度γs 為18kN/m3，在地下水位以下土的有效重力密度γs'為10kN/m3。計算可得頂板土壓力標準值為74kN/m2，外墻上端、下端側土壓力標準值分別為24.67kN/m2 和43.67kN/m2；頂板水壓力標準值為20kN/m2，外墻上端、下端側土壓力標準值分別為20kN/m2 和77kN/m2。

2.2 按替代框架法進行計算

計算模型是以立柱為中心，連同頂板、底板的暗梁和外墻，在縱、橫兩個方向取替代框架。本文計算例題的縱橫方向對稱，故只計算一個方向的框架。計算替代框架橫梁的荷載時，計算寬度等于柱距L，即暗梁兩側各取1/2 板跨計算。框架桿件的各個節(jié)點視為剛性節(jié)點。使用理正6.5PB1 版本軟件建立平面剛桁架計算模型。該模型的建立需要考慮彈性地基梁，在底板（按0.8m 寬梁建模）下加彈簧支撐，基床系數(shù)取28 000kN/m3。代入前述計算的荷載進行計算，可以求出框架的彎矩圖。替代框架劃分范圍及替代框架計算簡圖如圖5～圖7 所示。

圖1 替代框架劃分范圍圖 圖2 剖面計算簡圖

圖3 剖面計算簡圖

3 計算結果分析

3.1 數(shù)據(jù)分析

通過結果數(shù)值比較、誤差統(tǒng)計可以得知，3 種計算方法的彎矩相比有4 種情況。第1 種情況是彎矩符號相同、數(shù)值相差不是很大，這些點分別是1、2、5、7、11、12、13、17、18、21 點。這些點具有一個共同的特征：兩種簡化算法的結果比有限元計算數(shù)值大。

由于算例圖形的規(guī)則形狀或尺寸與實際情況在計算過程中呈現(xiàn)正相關關系，因此二者越相近則誤差值越小，反之則亦然。因此，采用有限元計算方法則其結果相對精確。第2 種情況是彎矩符號相同、數(shù)值相差比較大，但沒有出現(xiàn)帶有歧義的數(shù)值，這只有3、10 號點，都是位于外墻固定支撐處。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與第1 種情況類似。第3 種情況是出現(xiàn)了9 和24 兩處歧義點，即該點彎矩數(shù)值特別大，它們都在最靠近曲線外墻的立柱頂部的附近。通過上述表現(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，在對不對稱、不規(guī)則形狀的建筑結構中，采用替代框架法進行簡化，則計算結果會產生較大的誤差在靠近不規(guī)則邊緣的位置處。第4 種情況是出現(xiàn)了某一簡化計算方法的結果和有限元計算的彎矩符號相反的現(xiàn)象，分別是4、6、8、14、15、16、19、20、22、23 點。其中在敞口邊緣上跨中的4 點位置上，帶扭轉曲線邊緣的板塊的支座與帶敞口邊緣的板塊處會有其大部分的符號相反點。如此情況則表明：將暗梁與外墻并劃為板塊的固定支座的方法與頂板實際情況并不相符合；如果暗梁處剛度沒有突變，則支座作用并未在此凸顯。

4 結語

通過上述分析研究，我們已不難發(fā)現(xiàn)在計算不規(guī)則形狀地下建筑中存在一定的規(guī)律性：①為將誤差值與奇異結果的出現(xiàn)降至最低，通常采用有限元計算法為宜；②在對不對稱、不規(guī)則形狀的建筑結構的計算過程中，采用替代框架法則會在靠近不規(guī)則邊緣的位置上的計算結果產生較大的差異；③算例形狀與規(guī)則形狀越相近，則簡化算法誤差值就越小；④如果算例形狀與規(guī)則形狀相偏離時，在相同荷載的條件下，根據(jù)有限元計算結果，位于不規(guī)則邊界處的彎矩會變小；⑤如果暗梁處剛度沒有突變，則支座作用并未在此凸顯，因此不能簡單的將暗梁與外墻并劃為板塊的固定支座。

通過上述論述，在不規(guī)則形狀地下建筑結構設計的計算上，應根據(jù)工程建設的實際情況有針對性對計算方法進行選擇，盲目地選取與判斷是不符合工程建設質量要求的，作為工程建設人員，我們應保持高度的責任感去完成這一工作。