基于MIDAS某大型初雨調蓄池邊墻結構分析

龔存燕

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518008)

1 研究背景

隨著城市發展，城市對環境的要求不斷提高，越來越多的初雨調蓄池應運而生。初雨調蓄池作為一種地下水池結構，有著傳統地下水池和地下室的功能，但同時結構形式又有別于傳統地下水池和地下室，調蓄池深度從以前幾米至現在十幾米，面積由原來幾千平方米發展到現在幾萬平方米，另外功能方面也逐漸由原來單一功能調整為綜合雨水花園或市政公園等，隨著調蓄池功能方面的轉變，對調蓄池結構安全也提出更高的要求，調蓄池造價相應增加。如何才能保證調蓄池結構安全又經濟合理，特別是對于調蓄池高度高而邊墻支撐結構方面又僅能設置頂部一層樓板情況。本文基于MIDAS三維有限元軟件，分析某大型調蓄池頂板、頂部主次梁、中間連梁以及底板對邊墻結構位移和受力的影響，同時將有限元計算結果與簡化計算進行對比，為類似地下工程設計提供參考。

2 計算模型及參數

2.1 調蓄池基本參數

某大型初雨調蓄池工程等級為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級，調蓄池采用地下式，規模為1.5萬m3，調蓄池長87.2m，寬33.0m，池頂覆土厚度為2.0m，頂部為市政公園，調蓄池高10.85m，單元尺寸為6.0m×6.0m，頂板厚0.3m，頂部主梁截面尺寸為0.5m×1.0m(寬×高)，次梁0.4m×0.8m，立柱0.8m×0.8m，邊墻和底板厚度均為1.0m(邊墻下端和底板端部厚1.5m)，在距底板頂6.3m處布置一道連梁，連梁截面尺寸為0.5m×1.0m，調蓄池典型斷面如圖1所示。

圖1 調蓄池典型斷面圖

2.2 計算軟件選擇

為便于模擬頂板、底板、頂部主次梁和連梁對邊墻受力的影響，本次采用MIDAS三維有限元軟件中GTS子塊進行建模計算。MIDAS/GTS(Geotechnical and Tunnel analysis System)目前廣泛用于地下工程項目與結構分析計算中，基本上涵蓋了巖土方面所有的分析計算功能，可用于求解關于巖土工程施工階段模擬，滲流分析，固結分析，邊坡穩定分析，動力分析，襯砌、錨桿的結構分析等領域；其功能多樣，如前處理能力高效：中文界面、CAD風格幾何建模、豐富多樣網格劃分、內置各種建模助手，專業的單元庫和本構模型，以及完美的后處理：組合包絡結果，等值線、矢量、剖斷面輸出云圖，動畫、表格、計算書等。

2.3 計算模型

為便于分析頂板和梁系結構等對邊墻受力影響及有限元建模，本次模型進行如下簡化：①不考慮邊墻下端和底板端部加厚的影響，邊墻和底板厚度均為1.0m考慮；②不考慮頂板頂部開孔的影響，不考慮存水室中、邊隔墻的影響，以及不考慮出水泵井高程的影響，與調蓄池底板高程同高考慮，不考慮設備廊道室上部結構以及調蓄池下池樓梯間等的影響；③不考慮下部抗浮樁的影響。

本次對于邊墻、底板和頂板采用面單元，立柱、連梁及頂板主次梁采用梁單元，根據上述簡化等進行建模，本次共建立節點32610個，單元35808個，其中面單元30336個，梁單元5472個。如圖2所示。

本工程約束對于邊墻外端按自由邊界考慮，對底板和邊墻底部考慮固定約束。

圖2 調蓄池三維有限元網格圖

2.4 計算參數

本工程調蓄池各部分結構均采用C35鋼筋混凝土結構，彈性模量為3.15×107kN/m2，泊松比為0.167，容重為25kN/m3。

為便于比較調蓄池頂板和梁系結構等對邊墻的影響，本次計算僅考慮側土壓力對邊墻的影響，本次地下水按位于設計地面0.5m以下考慮，基坑回填采用中粗砂，根據《工程地質手冊(第五版)》第1039頁的表8- 3- 15中產生主動土壓力所需的最小位移對于砂土平移為0.001H、轉動為0.001H(H為墻高)，采用《建筑結構靜力計算手冊(第二版)》第103頁一端剪支一端固定模型計算，邊墻采用主動土壓力公式計算墻體的最大撓度為2.2mm，本工程邊墻產生主動土壓力所需最小平移(或轉動)為10.5mm，因此本次邊墻內力計算采用靜止土壓力水土分算公式成果，側土壓力系數取為0.4，經計算，邊墻上部土壓力設計值為38.72kN/m，底部為206.72kN/m。

3 計算結果分析

3.1 調蓄池邊墻簡化計算模型

常規設計時，將調蓄池各層樓板、基礎底板等作為調蓄池擋土墻的支撐，計算模型通常按下列方式處理：頂板處簡化為鉸接，基礎底板處簡化為固端，其他樓層作為連續支座，將調蓄池邊墻按1m寬板帶簡化為多跨連續梁進行內力計算和配筋，不考慮梁系結構的影響。

本次調蓄池邊墻簡化計算模型為頂板鉸接、底板固端的單跨梁，不考慮頂部主次梁和中間連梁對邊墻受力的影響。

3.2 頂板厚度對邊墻受力影響分析

不考慮調蓄池底板和梁系結構情況下，分別計算頂板厚度為0、0.05、0.12、0.3m情況，有限元計算及簡化計算沿高度邊墻位移、彎矩值及分布情況，如圖3所示，結果見表1。

由表1和圖3可知：

(1)有無頂板對邊墻位移和彎矩影響很大，頂板能大幅減小邊墻上端位移值和下端彎矩值。

(2)有頂板時邊墻位移和彎矩值沿高度分布規律與簡化計算相近，相應位置的對應值也接近，但簡化計算會導致邊墻位移值偏小，特別是頂板厚度越薄，偏小幅度越明顯，同時簡化計算會導致邊墻下端彎矩值偏大中間偏小，頂板厚度越厚，下端偏大中間偏小幅度越明顯。

(3)根據頂板厚度不同邊墻下端彎矩變化規律，頂板厚度過薄會導致有限元計算邊墻端部彎矩值大于簡化計算值，因此當頂板厚度過薄時，頂板仍簡化為鉸接進行設計會對邊墻下端受力不利，但因水工結構中頂板厚度一般不會小于0.12m，因此樓板簡化為鉸接進行設計不會導致邊墻下端受力不利。

3.3 中部連梁及頂板主次梁對邊墻受力影響分析

不考慮調蓄池底板和頂板結構情況下，分別計算頂板主次梁、中間連梁對邊墻位移及彎矩的影響，具體結果見表2、如圖4和圖5所示。

由表2和圖4可知：

(1)有無中間連梁對邊墻位移和彎矩影響均較大，連梁的存在能較大幅度減小邊墻上端位移值和下端彎矩值。

表1 不同頂板厚度情況下邊墻關鍵點位移及彎矩值表

圖3 不同頂板厚度情況下邊墻位移及彎矩沿墻高分布圖

(2)在調蓄池中間設置連梁時，邊墻位移沿高度分布規律與邊墻頂端自由接近，但位移值減小較多，特別是中上部邊墻位移值，但減小幅度受連梁截面尺寸影響，隨著截面尺寸增大位移值減小；連梁下部邊墻位移值與簡化計算結果接近。

(3)在調蓄池中間設置連梁時，邊墻彎矩沿高度分布規律與邊墻頂端自由類似，但端部彎矩值較邊墻頂端自由情況的彎矩值減小較多，減小幅度也受連梁截面尺寸影響，隨著截面尺寸增大彎矩值減小，連梁截面尺寸增大到一定程度時，邊墻下端彎矩較簡化計算結果小。

由表2和圖5可知：

(1)有無頂部主次梁對邊墻位移和彎矩影響均較大，頂部主次梁能較大幅度減小邊墻上端位移值和下端彎矩值。

(2)在調蓄池頂部設置主次梁時，邊墻位移沿高度分布規律與簡化計算接近，但相應高度位移值大于頂部設置樓板情況的位移值；但當考慮頂部主次梁與中間連梁共同作用時，其對邊墻位移的減小作用大于僅頂部設置樓板情況，特別是對中部最大位移減小相對明顯，可使邊墻最大位移小于簡化計算情況。

(3)在調蓄池頂部設置主次梁時，邊墻彎矩沿高度分布規律與簡化計算類似，特別是在中間連梁共同作用下可以較大幅度減小邊墻中部和下端彎矩值，對改善邊墻彎矩有利。

表2 考慮調蓄池梁系結構時邊墻關鍵點位移及彎矩值表

圖4 考慮調蓄池連梁結構時邊墻位移及彎矩沿墻高分布圖

圖5 考慮調蓄池頂部主次梁時邊墻位移及彎矩沿墻高分布圖

圖6 考慮底板時邊墻位移及彎矩沿墻高分布圖

3.4 底板對邊墻受力影響分析

在考慮頂部樓板和梁系結構基礎上，分析有無底板邊墻位移和彎矩沿高度分布情況，具體如圖6所示。

根據圖6可以看出，考慮底板情況下邊墻位移和彎矩沿高度分布規律與簡化計算和頂部有樓板情況相近，但底板的存在能較大幅度地減小邊墻中部位移值和邊墻下端彎矩值。

4 結論

(1)根據本次有限元計算結果，按靜止土壓力公式計算邊墻土壓力更合理。

(2)對頂部樓板厚度超過0.12m的調蓄池邊墻按上端鉸接和下段固定進行設計時，其下端彎矩是偏安全的。

(3)在調蓄池高度較高時，為節約投資和避免設計過于保守，除考慮頂部樓板對邊墻彎矩的作用外，還應考慮調蓄池梁系結構和底板對其受力有利的影響。

本工程樓板、邊墻采用的是二維單元，梁系結構采用的是一維單元，若采用三維實體單元進行模擬，結果會更接近實際，另外本次計算也未考慮土體以及基礎對邊墻受力的影響。