基坑不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的冗余度研究及分析

宋利文

摘? 要：文章主要以不同的水平支撐體系為例，利用有限元軟件，通過建模分析內(nèi)支撐構(gòu)件的作用，以及局部構(gòu)件破壞時(shí)水平支撐體系的破壞情況。建議對(duì)重要、復(fù)雜的基坑水平支撐體系進(jìn)行冗余度分析，并在施工過程中對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與保護(hù)。

關(guān)鍵詞：深基坑;水平支撐;冗余度

中圖分類號(hào)：TU753 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）10-0078-02

Abstract： This paper mainly takes different horizontal support system as an example， and adopting finite element software and modeling， analyzes the role of internal support components， as well as the failure of horizontal support system when local components are destroyed. It is suggested that the redundancy analysis of the important and complex foundation pit horizontal support system should be carried out， and the key components should be monitored and protected in the construction process.

Keywords： deep foundation pit; horizontal support; redundancy

1 環(huán)梁式水平支撐體系

本文針對(duì)工程中兩種不同類型的內(nèi)支撐體系，利用冗余度[1]來分析受力及位移情況。環(huán)梁內(nèi)支撐支護(hù)體系能充分利用環(huán)形支撐受力體系的拱效應(yīng)，使環(huán)梁所承受的彎矩明顯減小，其受力主要以軸力為主，符合混凝土材料的受壓性能好的特點(diǎn)，受力合理[2]。

本方案中基坑的邊長(zhǎng)為60m，環(huán)梁的直徑為50m，兩種布置方案，設(shè)計(jì)荷載均為400kN/m，在水平平面內(nèi)垂直作用在圍檁四周，圖1a圍檁、角撐、輻射撐和環(huán)梁均采用C30混凝土，圖1b圍檁和環(huán)梁采用C30混凝土，角撐和輻射撐采用鋼管。通過冗余度來對(duì)支撐體系進(jìn)行分析優(yōu)化。

2 環(huán)梁型水平支撐體系冗余度

2.1 基于剛度的冗余度

基坑水平支撐系統(tǒng)的剛度影響可以通過構(gòu)件破壞后結(jié)構(gòu)的最大變形值來體現(xiàn)。基于Frangopol提出的“強(qiáng)度冗余度數(shù)SRF”計(jì)算公式進(jìn)行變形，計(jì)算出剛度冗余度的計(jì)算公式如下：

兩種方案對(duì)比，方案b中環(huán)梁構(gòu)件的重要性大于方案a中環(huán)梁構(gòu)件，方案b中環(huán)梁構(gòu)件一旦發(fā)生破壞就可能會(huì)發(fā)生連續(xù)倒塌的事故。兩種方案在只分析角撐與輻射撐的作用下，方案a比方案b強(qiáng)度冗余度值都偏小，所以在輻射撐和角撐發(fā)生破環(huán)時(shí)，方案a更容易發(fā)生連續(xù)性倒塌破壞。方案b相對(duì)于方案a角撐和輻射撐更加安全。環(huán)梁水平支撐體系的基坑設(shè)計(jì)中可考慮材料的選擇。

2.2 基于強(qiáng)度的冗余度

結(jié)構(gòu)中某個(gè)桿件的損壞必然會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成影響，所以當(dāng)拆除桿件分析桿件所受軸力的變化。為了方便計(jì)算冗余度，江杰等[3]對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度冗余度計(jì)算公式優(yōu)化為：

當(dāng)冗余度值為正時(shí)，值越小說明桿件重要性程度越高，拆除后對(duì)結(jié)構(gòu)的影響越大。當(dāng)冗余度為負(fù)值時(shí)，拆除桿件后，結(jié)構(gòu)桿件軸力相對(duì)于原結(jié)構(gòu)是減小的，此時(shí)冗余度絕對(duì)值越小，力減小對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度越大。

兩種方案在不考慮環(huán)梁的情況下，兩種方案拆除角撐或輻射撐后，無太明顯的變化都比較均勻。兩種方案強(qiáng)度冗余度值都沒有小于1的，但方案b強(qiáng)度冗余度值普遍偏高，較于方案a更加安全。鋼管混凝土的方案優(yōu)于純混凝土方案，所以改變材料對(duì)水平支撐體系有一定的影響。

3 結(jié)論

（1）支撐體系材料的選擇對(duì)支撐體系的安全度有一定的影響，本文未考慮深基坑環(huán)梁支撐的經(jīng)濟(jì)性，在保證冗余度的前提下，盡量合理選擇材料，保證基坑的安全度。

（2）環(huán)梁型水平支撐體系，可根據(jù)冗余度設(shè)計(jì)理論選取關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此來提高整個(gè)支撐體系的抗倒塌能力。對(duì)深度與規(guī)模大、支撐受力復(fù)雜、破壞后果嚴(yán)重的深基坑的支撐體系開展冗余度分析。建議在設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)提高關(guān)鍵構(gòu)件承載能力;在施工及使用過程中，應(yīng)使用信息化施工方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉闖.考慮結(jié)構(gòu)體系冗余度的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化設(shè)計(jì)[A].中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)《工程力學(xué)》編委會(huì)、湖南大學(xué)、清華大學(xué)土木工程系.第二屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下）[C].中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)《工程力學(xué)》編委會(huì)、湖南大學(xué)、清華大學(xué)土木工程系，1993：6.

[2]肖聰.深基坑環(huán)梁支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析[D].武漢理工大學(xué)，2013.

[3]江杰，顧倩燕，胡何，等.雙排鋼板樁圍堰的冗余度分析[J].巖土力學(xué)，2015，36（S1）：518-522.

[4]鄒瓊.考慮冗余度的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)研究[D].天津大學(xué)，2012.

[5]FRANGOPOL.D M.， CURLEY J P. Effect of damage and redundancy on structural reliability[J] Journal of Structure Engineering， 1987，1139（7）：49.

[6]鄭剛，程雪松，張雁.基坑環(huán)梁支撐結(jié)構(gòu)的連續(xù)破壞模擬及冗余度研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（01）：105-117.

[7]ZHENG G， CHENG X S， DIAO YU， et al. Concept and design methodology of redundancy in braced excavation and case histories[J]. Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS&AGSSEA， 2011，42（3）：13-21.

[8]江杰，肖萌，龍團(tuán)元，等.基于冗余度理論的深基坑環(huán)梁支撐優(yōu)化分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，42（06）：2339-2346.