雙線隧道下穿引起框架-剪力墻結(jié)構(gòu)豎向位移分析

龐 峰, 孟 丹, 陳 巖, 和 超

(1. 青島理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院, 山東青島266033; 2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 山東青島266109)

隧道下穿建筑物的安全評(píng)價(jià)和保護(hù)措施, 引起了社會(huì)各屆的廣泛關(guān)注, 即如何在地鐵工程建設(shè)的同時(shí)確保城市地表的環(huán)境安全已經(jīng)成為工程屆面臨的一個(gè)難題[1-3]. 由于建筑物在地表沉降影響下受力情況表現(xiàn)出強(qiáng)烈的復(fù)雜性, 因此, 通過單個(gè)構(gòu)件受力和變形分析對(duì)建筑物的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)已不能滿足工程應(yīng)用的需要[4-6]. 有限元方法是分析隧道施工對(duì)建筑物整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的一種有力工具. 通過它可以對(duì)建筑結(jié)構(gòu)變形的范圍、規(guī)律和演化過程進(jìn)行分析. 趙林等[7]采用ANSYS 建立三維模型, 模擬分析了地鐵盾構(gòu)不同施工步下地表的建筑物特征點(diǎn)、橫向以及縱向位移曲線. 黎春林等[8]運(yùn)用ANSYS 建立了無錫地鐵1 號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間部分風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的三維有限元模型, 通過模擬分析揭示了盾構(gòu)施工擾動(dòng)對(duì)地層位移場以及建筑物隆沉的影響規(guī)律. 李方明等[9]采用ABAQUS 有限元軟件建立了雙線盾構(gòu)隧道下穿樁箱基礎(chǔ)建筑計(jì)算模型, 模擬了不同樁長、樁徑、土體損失率及不同工況下, 樁基和基礎(chǔ)底板附加變形及附加內(nèi)力的變化規(guī)律. 龐峰等[10]為研究淺埋暗挖法地鐵隧道施工對(duì)地面密集建筑物的影響規(guī)律, 建立了地鐵隧道和城市建筑物的FLAC3D 數(shù)值模型, 運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析研究了典型施工過程對(duì)地面密集建筑群的影響規(guī)律.

要模擬分析建筑物的沉降變形規(guī)律, 首先要準(zhǔn)確分析建筑物下方地表的變形規(guī)律. 基于此, 本工作以青島地鐵隧道下穿某建筑物為例, 利用施工過程中監(jiān)測到的地表沉降數(shù)據(jù), 借助隨機(jī)介質(zhì)理論和Peck 方法反分析地表移動(dòng)參數(shù), 研究了地表沉降規(guī)律; 將準(zhǔn)確預(yù)測到的地表沉降結(jié)果施加于研究對(duì)象建筑物, 通過建立三維有限元分析模型, 研究了建筑物沉降變形的一般規(guī)律.

1 工程概況

本工作選取青島地鐵3 號(hào)線某區(qū)間隧道下穿的一棟鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)建筑物——位于青島市市南區(qū)的公共資源交易大廳為研究對(duì)象(見圖1(a)), 分析了其在隧道施工影響下的沉降變形規(guī)律. 該建筑物與雙線隧道的相對(duì)位置關(guān)系如圖1(b)所示. 與本工作相關(guān)的建筑物和隧道基本情況如表1 所示.

圖1 建筑物及其與下穿隧道平面位置關(guān)系Fig.1 Building and the relative position relation with tunnel

2 地層沉降規(guī)律

2.1 Peck 方法反分析地表移動(dòng)參數(shù)

Peck 方法運(yùn)用公式將隧道施工引起的橫向地表沉降簡化為如式(1)所示的高斯曲線. 該曲線所在平面與隧道軸線垂直[1].

式(1)基于系統(tǒng)的地層損失率概念, 其中S(x)為地表水平面上距隧道中心x 處的地表沉降值,A 為開挖橫斷面面積, Vl為沿開挖隧道方向單位長度的地層損失, i 為正態(tài)分布的沉降槽寬度[11-12].

表1 建筑物和隧道基本情況Table 1 Basic conditions of building and tunnel

本工作對(duì)選取的6 個(gè)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合, 擬合函數(shù)為高斯分布函數(shù), 擬合參數(shù)為反彎點(diǎn)距離i. 具體的擬合過程[13]如下: ①定義縱坐標(biāo)為ln(S/Smax), 其中Smax為監(jiān)測斷面的最大沉降值; 定義橫坐標(biāo)為沉降監(jiān)測點(diǎn)至隧道中心線水平距離的平方, 繪制一個(gè)監(jiān)測斷面的所有監(jiān)測點(diǎn); ②利用數(shù)學(xué)方法對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行線性擬合, 獲得擬合直線斜率ζ; ③通過直線斜率求得沉降槽寬度i =④基于隧道開挖尺寸, 通過理論計(jì)算的方法確定參數(shù)Vl; ⑤基于上述兩個(gè)參數(shù)繪制沉降曲線, 得到斷面1 的擬合結(jié)果, 如圖2 所示.

圖2 斷面1 地表沉降擬合結(jié)果(i=11.87 m, Vl =0.019 8, 埋深16.8 m)Fig.2 Fitting results of surface settlement of Section 1 (i = 11.87 m, V1 = 0.019 8, tunnel depth 16.8 m)

通過Peck 方法對(duì)隧道其他5 個(gè)斷面的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合, 各斷面的沉降槽寬度和地層損失率如表2 所示.

2.2 隨機(jī)介質(zhì)理論反分析地表移動(dòng)參數(shù)

隨機(jī)介質(zhì)理論可以用來預(yù)測由隧道開挖引起的地表沉降. 開挖位置的地層條件會(huì)影響角的正切值tan β 和隧道斷面的均勻收縮值ΔR. 這些都取決于開挖位置的特定地層條件所采用的施工方法、施工條件等因素, 是多個(gè)影響因素的綜合影響結(jié)果. 表3 給出了相似地層多個(gè)監(jiān)測斷面的移動(dòng)參數(shù)分析結(jié)果. 圖3 給出了其中一個(gè)斷面的反分析參數(shù)預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對(duì)比.

表2 各斷面地表沉降規(guī)律統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of surface settlement law of each section

表3 地表沉降反分析參數(shù)Table 3 Back analysis parameters of surface subsidence

圖3 隧道斷面反分析結(jié)果預(yù)測曲線與實(shí)測結(jié)果Fig.3 Comparison of predicted curve and measured result of back analysis of tunnel section

3 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)豎向位移分析

3.1 有限元模型

模型參數(shù)的取值來源于該建筑物的設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場檢測結(jié)果. 該混凝土結(jié)構(gòu)總高55.4 m,共15 層, 層高3.6 m(第一層設(shè)計(jì)為商鋪, 層高5.0 m). 構(gòu)件截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級(jí)及配筋率如表4 所示, 構(gòu)件結(jié)構(gòu)的三維有限元模型如圖4 所示. 模型中的剪力墻、樓板均為鋼筋混凝土現(xiàn)澆. 混凝土材料的參數(shù)取值為泊松比δ1= 0.2, 密度ρ = 2 500 kg/m3. 其余參數(shù)同MISO型多線性強(qiáng)化模型.

表4 構(gòu)件屬性表Table 4 Building component attributes

圖4 構(gòu)件結(jié)構(gòu)的三維有限元模型Fig.4 3D finite element model of components and structures

3.2 模型施加的沉降條件

為了對(duì)比研究, 本工作選取兩種工況進(jìn)行分析: 工況1 是隧道開挖初期, 即地表沉降較小時(shí)對(duì)建筑物產(chǎn)生的影響, 地表沉降槽寬度參數(shù)K =0.613, 地層損失率Vl=0.003 5; 工況2 是該處地表沉降趨于穩(wěn)定時(shí)對(duì)建筑物產(chǎn)生的影響, 地表沉降槽寬度參數(shù)K = 0.613, 地層損失率

3.3 不同工況結(jié)構(gòu)的位移分析

(1) 工況1.

為了分析地表沉降對(duì)建筑物豎向位移的影響規(guī)律, 本工作首先分析了重力在建筑物上產(chǎn)生的豎向位移. 按照前述的荷載施加方法得到了建筑物在重力作用下的豎向位移, 如圖5 所示. 從該豎向位移云圖可以看出, 建筑物在自身重力作用下產(chǎn)生的最大位移出現(xiàn)在建筑物平面的中部, 為7.3 mm.

圖5 重力作用下的豎向位移Fig.5 Vertical displacement under gravity

將工況1 豎向位移荷載作用下的建筑物總體變形與重力荷載作用下的變形相減, 得到了建筑物僅在工況1 豎向位移荷載作用下的豎向變形, 如圖6 所示, 其中沉降值較大的位置就是隧道正上方影響范圍內(nèi)的建筑物.

圖6 沉降作用下的豎向位移Fig.6 Vertical displacement under the effect of settlement

圖7 提取了重力荷載作用下、豎向沉降荷載作用下以及兩種荷載共同作用下的豎向位移.在建筑物長軸方向上, 由于尺寸范圍較大以及剪力墻的影響, 一層頂部混凝土梁的豎向位移在重力作用下的分布就不是一條直線. 同時(shí), 在地表沉降作用下, 整體豎向變形也符合沉降槽的分布形狀.

(2) 工況2.

施加工況2 的沉降荷載于建筑物上, 得到的兩個(gè)剖面上的豎向位移曲線如圖8 所示. 從圖7 和8 的縱向剖面豎向位移分布曲線可以看出, 兩種工況下建筑物的變形規(guī)律基本一致, 但工況2 下建筑物的變形更接近地表沉降變形.

圖7 工況1 橫向剖面和縱向剖面上, 一層頂部沉降曲線Fig.7 Settlement curve of top layer 1 on transverse and longitudinal sections under working condition 1

圖8 工況2 橫向剖面和縱向剖面上, 一層頂部沉降曲線Fig.8 Settlement curve of top layer 1 on transverse and longitudinal sections under working condition 2

4 結(jié) 論

本工作以預(yù)測建筑物下方地表沉降為目的, 運(yùn)用理論方法基于實(shí)測地表沉降數(shù)據(jù)反分析了特定地層條件的地表變形參數(shù), 建立了研究對(duì)象鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的有限元模型,分析了地表沉降荷載作用下建筑物的豎向變形規(guī)律, 得到以下結(jié)論.

(1) 隨著的地表變形程度的加大, 結(jié)構(gòu)豎向位移隨之增大, 結(jié)構(gòu)豎向位移規(guī)律受地表變形規(guī)律的影響.

(2) 本工作研究目標(biāo)建筑物所處地層的變形參數(shù)如下: 地表沉降槽寬度參數(shù)K = 0.613,地層損失率Vl= 0.019 28; 主要影響角正切值為tan β = 0.785, 平均斷面收縮值ΔR =16.36 mm.

(3) 本工作研究對(duì)象建筑物處于隧道開挖引起的地表沉降曲線的上方, 建筑物中部很大范圍受到地表沉降的影響, 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形將加大鋼筋混凝土材料的有效應(yīng)力, 引起附加應(yīng)力,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞.