預應力魚腹梁鋼支撐基于Midas/GTS 軟件的數值分析

王凱（上海強勁地基工程股份有限公司，上海　200233）

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預應力魚腹梁鋼支撐基于Midas/GTS 軟件的數值分析

王凱
（上海強勁地基工程股份有限公司，上海200233）

摘要：以杭州紫荊港基坑支護工程為例，結合該工程的地層巖性及水文地質概況，采用Midas/GTS數值模擬軟件，對預應力魚腹梁支護結構總的位移、軸力、彎矩計算結果進行了分析，得到了支撐體系在基坑開挖過程中各個桿件的強度及基坑變形情況。

關鍵詞：基坑，數值模擬，預應力，魚腹梁，鋼支撐，位移

1　工程背景

1.1工程概況

杭州紫荊港基坑為近似四方形，南北方向長度為110 m，東西方向為145 m，基坑開挖深度為10.9 m，基坑周邊環境較好，四周均為道路，距離基坑開挖邊界線約10 m，道路下方埋設有相應管線，距離基坑開挖邊界線約為13 m。

1.2工程地質以及水文地質概況

①層：雜填土。人工堆積層，灰色、灰褐、灰黃等色，松散為主，上部段主要由塊石、碎石、碎磚、混凝土塊、陶瓷片、建筑碎渣等粗顆粒和粘性土細顆粒等物質組成；下部段主要由細顆粒粘性土含粗顆粒碎石碎磚物質組成；工程性能不穩定，整體屬高壓縮性土層。②層：粉質粘土。為第四系全新統上組沖海積沉積層（Q34）。灰黃、褐黃色，軟可塑為主，很濕～飽和，厚層狀為主，粉量較高，含鐵錳質斑點，干強度高，中等韌性，搖振反應無。標準貫入試驗實測錘擊數N = 8擊～9擊，平均值N = 8擊。該層俗稱“硬殼層”工程性能尚可，屬中等壓縮性土層。③層：淤泥質粘土。為全新統中組（Q24）海積相沉積層。灰色，流塑，飽和，部分孔段夾淤泥，含水量高，厚層狀，自穩性差，含腐殖物和有機質，干強度中等，中等韌性，搖振反應無，切面光滑，屬高壓縮性土層。④層為上更新統上組（Q2-23）沖湖積相沉積層，俗稱“第二硬土層”。根據物質組成和土性差異將其劃分為兩個亞層（④-1層～④-2層）。④-1層：粉質粘土。灰黃、褐黃色，可塑～硬塑，很濕，厚層狀，含鐵錳質斑點，層底漸向粉土過渡，干強度高，高韌性，搖振反應無，切面光滑。該層工程性能較好，屬中等壓縮性土層。④-2層：粘質粉土。灰黃、褐黃色，稍密，很濕，層狀，由粉土夾薄層粘性土構成，含云母碎屑，含鐵錳質斑點，干強度中等，低韌性，搖振反應慢，無光澤。該層工程性能尚可，屬中等壓縮性土層。⑤層：粘土。上更新統上組（Q2-23）海積相沉積層，灰色，軟塑，飽和，厚層狀，含腐殖質，含有機質，干強度高，中等韌性，搖振反應無，切面光滑。該層工程性能差，屬高壓縮性土層。⑥層為上更新統下組（Q13）沖湖相沉積，俗稱“第三硬土層”。此層曾出露地表，經氧化、淋濾及失水固結形成的。根據物質組成和土性差異將其劃分為四個亞層（⑥-1層～⑥-4層）。⑥-1層：粘土。灰綠、灰黃、褐黃色，硬可塑，很濕，厚層狀，含鐵錳質斑點，干強度高，高韌性，搖振反應無，切面光滑。

主要土層的物理力學參數如表1所示。

2　典型剖面計算

根據基坑的開挖深度，基坑周邊環境和土層的物理力學參數，基坑豎向圍護采用雙排樁的圍護形式，前排樁采用H700×300× 13×24的型鋼密插布置，插入深度10.7 m，后排樁采用H500× 200×10×16的型鋼，水平間距2.0 m，插入深度7.7 m，前排樁均采用φ850六軸水泥土攪拌樁進行止水，后排樁采用φ650六軸水泥土攪拌樁進行加固，前后排樁中心間距3.25 m，連梁尺寸為C30 700×600。水平支撐采用一道預應力魚腹梁鋼支撐，圍檁為三拼H428×407×20×35型鋼+ C50 700×600鋼筋混凝土腰梁，對角撐為H400×400×13×21型鋼，典型剖面圖詳見圖1。

表1　主要土層物理力學參數表

圖1　典型剖面圖

根據同濟啟明星深基坑支擋結構設計計算軟件可以算出在基坑開挖和換撐的整個過程中，支撐的支撐反力標準值最大值為464 kN/m，將該支撐反力作為下一步數值計算作用在支撐體系上的土壓力。

3　基于Midas/GTS數值軟件的分析

3.1數值計算方法簡介

Midas/GTS是大型通用有限元商業軟件，主要針對巖土隧道領域結構分析所需要的功能直接開發的程序。Midas提供了多樣化的建模方式，強大分析功能，利用最新求解器獲得最快的分析速度。普通的結構分析軟件不能施加預應力，本工程中對預應力魚腹梁鋼支撐體系支護模擬時需要施加預應力，故優選Midas/ GTS進行計算。

3.2數值計算模型

3.2.1基本假設

由于剖面計算已經得出了支撐處的支撐反力，故將水平支撐體系作為平面問題處理。

由于支撐體系要施加預應力，預應力的施加會激發豎向圍護后面土體的被動土壓力，故采用僅受壓彈簧模擬被動土壓力激發區域的土體。

作用在圍檁上的土壓力為剖面計算得出的支撐反力，按均布荷載考慮。

3.2.2計算模型

嚴格按照實際工程原型尺寸進行建模，其中圍檁、腹桿采用梁單元，對撐、角撐、斜腹桿采用桿單元，鋼絞線僅為受拉桿單元，大三角桁架由于剛度大，與單根H型鋼相比，可考慮成一個剛域，故大三角桁架采用平面板單元。C50 700×600鋼筋混凝土腰梁簡化為一拼H428×407×20×35型鋼圍檁。建立好的支護結構模型如圖2所示。

圖2　支護結構模型

3.2.3計算過程

數值計算按照預應力魚梁組合式鋼支撐安裝先后順序分為三個工況進行模擬。

工況1：激活除鋼絞線以外的支撐結構網格組，施加邊界土壓力彈簧，施加對撐、角撐預應力，對角撐的預應力值按照土壓力標準值的80%施加；工況2：施加鋼絞線預應力值，預應力值按照土壓力標準值100%施加；對角撐預應力施加值如表2所示。工況3：施加土壓力荷載。

表2　對角撐預應力施加值

以上三個工況中，工況3為最不利工況，本部分主要對工況3的受力結果進行分析，以下所有內容均為工況3的計算結果。

4　計算結果分析

計算結果顯示預應力魚腹梁支護結構總的位移、軸力、彎矩計算結果是：

1）在魚腹梁中部和大對撐、角撐位置處的圍檁的位移較小，主要是由于施加預應力控制變形的結果，位移較大的區域為角撐之間的區域。2）結構圍檁與對撐、角撐均只受較大的壓縮軸力，鋼絞線只受拉伸軸力，其中魚腹梁范圍內的圍檁所受的軸力要大于其他部分圍檁軸力，原因是鋼絞線張拉使魚腹梁范圍內的圍檁受力偏大。在土壓力作用前后鋼絞線的軸力沒有發生變化，原因在于施加鋼絞線預應力值是按照土壓力作用時計算得到的鋼絞線軸力值施加的，在土壓力作用后，鋼絞線軸力值并不會發生顯著變化。3）彎矩分布的規律是在對撐、角撐三角剛域角點與圍檁連接點的彎矩值偏大。

4.1位移分析

如圖3所示，基坑側壁X方向位移最大值位于基坑的東南角，位移為31 mm，小于50 mm，位移滿足規范要求。

如圖4所示，基坑側壁Y方向位移最大值位于基坑的東南角，位移為42.5 mm，小于50 mm，位移滿足規范要求。

圖3　基坑X方向位移圖

圖4　基坑Y方向位移圖

4.2圍檁強度分析

如圖5所示，基坑H428×407×20×35圍檁軸力最大處位于基坑東側魚腹梁下，數值為25 462.5 kN，對角撐軸力最大為1 464.6 kN，位于對撐DC-01處。

如圖6所示，基坑H428×407×20×35圍檁彎矩最大處位于基坑西南側魚腹梁下，數值為7 456.7 kN·m。

圖5　基坑軸力圖

圖6　基坑圍檁彎矩圖

4.2.1圍檁強度分析

通過對計算結果的查詢可以得出：圍檁組合應力最大處，其軸力FN= 23 350.58 kN×1.375 =32 107.04 kN。

圍檁彎矩：My= 4 381.58×1.375 =6 024.67 kN·m。

圍檁強度驗算：

圍檁強度滿足規范要求。

4.2.2對角撐強度分析

通過對計算結果的查詢可以得出：對角撐軸力最大2 179.39 kN，位于對撐DC-01處，對角撐進行驗算時考慮0.02 m的初始偏心。

對撐強度驗算：對撐強度滿足規范要求。

5　結語

從上述的數值分析結果可知：1）預應力魚腹梁鋼結構支撐體系作為支撐，基坑變形控制較好，能較好的保護基坑周邊的環境；2）通過強度驗算可知預應力魚腹梁的圍檁以及對角撐構件的強度滿足要求，支撐效果好；3）通過Midas/GTS軟件的運用能夠較好的模擬施加預應力的過程，能為設計提供相應的參考。

參考文獻：

［1］劉國彬，王衛東.基坑工程手冊［M］.第2版.北京：中國建筑工業出版社，2009.

［2］JGJ 120—2012，建筑基坑支護技術規程［S］.

［3］連秀艷，張靖超.魚腹梁式鋼支撐在基坑工程中的應用情況［J］.山西建筑，2013，39（15）：67-68.

［4］呂奇.IPS內支撐在深基坑工程中的應用［Z］.

The numerical analysis of pre-stressed fish-bellied beam steel support based on Midas/GTS software

Wang Kai
（Shanghai Qiangjin Foundation Engineering Limited Company by Share，Shanghai 200233，China）

Abstract：Taking the Hangzhou Zijing port foundation pit support engineering for example，combining with the engineering formation lithology and hydrology geology general situation，using Midas/GTS numerical simulation software，analyzed the total displacement，axial force，bending moment calculation results of pre-stressed fish-bellied beam steel support structure，gained the strength and foundation pit deformation situation of each bar of support system in foundation pit excavation process.

Key words：foundation pit，numerical simulation，pre-stressed，fish-bellied beam，steel support，displacement

中圖分類號：TU463

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0077-03

收稿日期：2015-12-14

作者簡介：王凱（1987-），男，碩士，工程師