沿海某帶懸臂的衡重式擋墻結(jié)構(gòu)有限元分析

易振友

（廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧530029）

0 引言

某沿海工程的建設(shè)規(guī)模為萬噸級深水泊位，其碼頭水工建筑物采用帶懸臂的衡重式擋墻結(jié)構(gòu)干地施工方案。結(jié)構(gòu)混凝土現(xiàn)澆在基槽開挖后的中風(fēng)化泥巖或砂巖上，地基承載力較高。考慮到結(jié)構(gòu)高差較大，受力較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的計(jì)算方法難以考慮復(fù)雜的受力情況。為使結(jié)構(gòu)滿足安全、耐久、經(jīng)濟(jì)、適用的要求，對衡重式擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析是非常有必要的。

1 工程案例

沿海某帶懸臂的衡重式擋墻結(jié)構(gòu)分段長度均為10m。底寬7m，頂寬3．4m，設(shè)有胸墻、綜合管溝和前方軌道梁，墻背起坡點(diǎn)高程為0．80m，坡比為1∶0．25，與帶懸臂衡重平臺連接；平臺處墻身寬度為5．35m，平臺寬4．50m，懸臂長度為2．79m，懸臂端部高為1m，跟部高為2m，前趾長3．5m，高2．5m，擋墻后側(cè)懸臂以下結(jié)合巖石開挖采用1∶0．4的坡比；擋墻底高程為－17．90m，頂高程為6．20m，衡重平臺高程為－7．00m。碼頭結(jié)構(gòu)斷面－0．70m高程以上采用C40高性能混凝土，－0．70m高程以下采用C30高常規(guī)混凝土（如圖1所示）。

圖1 結(jié)構(gòu)典型斷面圖（mm）

2 有限元模型的建立

采用Midas Civil有限元分析程序建立二維平面模型，擋墻采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元模擬，模型共劃分736個單元，825個結(jié)點(diǎn)，單元最小邊長為0．16m，最大邊長為0．892m，模型單元劃分情況詳見圖2。

圖2 有限元模型示意圖

約束情況：根據(jù)地質(zhì)報告，擋墻建基面地層為中風(fēng)化泥巖（軟質(zhì)巖），衡重式擋墻下墻仰斜段大部分為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，參考《港口水工建筑物》（陳萬佳編，人民交通出版社，1995）附錄16，中風(fēng)化泥巖地基彈簧系數(shù)k取200 000kN／m，強(qiáng)風(fēng)化泥巖地基彈簧系數(shù)k取50 000kN／m。根據(jù)地基條件，擋墻底部與中風(fēng)化巖接觸部分的節(jié)點(diǎn)施加－Z向單項(xiàng)受壓彈簧約束，彈簧剛度為200 000kN／m，X 向施加彈性約束，彈簧剛度為0．45×200 000＝90 000kN／m，Y 向施加固定約束。衡重式擋墻下墻仰斜段＋X、－Z向分別施加單項(xiàng)受壓彈簧約束，彈簧剛度為50 000kN／m，Y向施加固定約束。

3 計(jì)算工況

根據(jù)規(guī)范要求，對施工期和使用期可能出現(xiàn)的各種荷載組合如表1所示：

表1 荷載工況組合表

4 計(jì)算結(jié)果

通過分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)低水位工況時的荷載組合1為擋墻控制工況，且需對完建工況時卸荷板根部的極限承載力進(jìn)行復(fù)核，計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2：

表2 荷載工況組合計(jì)算結(jié)果表

圖3 水平方向應(yīng)力等值線云圖（kPa）

配筋計(jì)算：由應(yīng)力圖（如圖3、圖4所示）可知0．8m、－7．0m、－9．0m、－15．4m高程墻身斷面，卸荷平臺根、前趾根部斷面部的截面應(yīng)力基本接近于線型分布。因此，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191－2008）12．2．1條文，可將應(yīng)力換算成內(nèi)力進(jìn)行配筋計(jì)算，內(nèi)力按式（1）、（2）計(jì)算：

圖4 豎直方向應(yīng)力等值線云圖（kPa）

式中A為斷面面積，A＝b×h。

擋墻主要控制部位內(nèi)力見表3。

表3 擋墻主要控制部位內(nèi)力表

5 結(jié)語

（1）本擋墻結(jié)構(gòu)符合平面應(yīng)變分析的特點(diǎn)，采用常規(guī)計(jì)算方法難以綜合考慮各種荷載的組合作用，而有限元分析法是數(shù)值分析的經(jīng)典方法之一，它不僅能處理各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型、邊界條件、荷載工況，還能在后處理中生成應(yīng)力包絡(luò)圖，提高計(jì)算效率。

（2）通過分析發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)低水位的組合1為控制工況，且0．8m高程、卸荷板根部和前趾根部等部位出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，為滿足規(guī)范對強(qiáng)度及裂縫控制等要求，須對其進(jìn)行配筋計(jì)算，可為今后類似的工程設(shè)計(jì)提供參考。

（3）由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和荷載組合的多樣性，計(jì)算所得的應(yīng)力并非呈現(xiàn)嚴(yán)格的線性分布，截面突變的地方甚至出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，因此，如何根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理的配筋，可作為今后進(jìn)一步探討的方向。