城市富水區(qū)段大型地下結(jié)構(gòu)工程數(shù)值及應(yīng)用研究

潘升樹，譚智杰

（1.重慶市江北區(qū)城市建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司，重慶 400000；2.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

近年來，地下空間的綜合利用引起了社會(huì)廣泛關(guān)注，為適應(yīng)地下空間綜合化發(fā)展的趨勢(shì)，大量學(xué)者圍繞著地下空間結(jié)構(gòu)的支護(hù)方式的安全性和經(jīng)濟(jì)性展開研究。其中，蔣宏鳴等[1]針對(duì)深基坑雙排樁支護(hù)的設(shè)計(jì)與變形了進(jìn)行研究，得出支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與坑外地表、鄰建筑物沉降的內(nèi)在關(guān)系，證明支護(hù)方案的可行性與安全性。鄭剛等[2]研究了內(nèi)撐式排樁支護(hù)基坑支護(hù)樁發(fā)生局部破壞時(shí)，土壓力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響規(guī)律，揭示了基坑局部破壞在支護(hù)樁長(zhǎng)度上的傳遞機(jī)制。江峰等[3]將排樁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于明挖基坑的支護(hù)，縮短了工期的同時(shí)確保了地鐵車站基坑的穩(wěn)定性。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，排樁支護(hù)作為一種較常見的基坑支護(hù)形式，為了深入研究排樁支護(hù)作為主要受力結(jié)構(gòu)在地下結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用，本文基于觀音橋北大道道路建設(shè)項(xiàng)目，利用Midas 數(shù)值模擬軟件建立了支護(hù)排樁框架模型，對(duì)框架架構(gòu)進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)算穩(wěn)定性并得出結(jié)論，為今后基坑排樁支護(hù)的研究提供思路的同時(shí)也為城市地下工程的修建積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

擬建場(chǎng)地位于重慶市觀音橋商圈北大道，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形、地質(zhì)情況等情況，同時(shí)考慮城市地下空間利用，該處擬建框架結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)寬21.2m，長(zhǎng)144.2m，框架立面布置如圖1 所示，框架分為3 層，地面為現(xiàn)有城市道路，負(fù)一層擬建車庫及地下縮合管廊，負(fù)二層為設(shè)備用房，負(fù)三層隧道。

圖1 框架立面布置

2 框架有限元模型

2.1 框架模擬概況

本框架采用大型有限元分析軟件Midas Civil 2017（授權(quán)版）建立模型，綜合比選，選取圖1 所示的框架斷面形式建模，考慮到框架各部分的物理特性，主橫梁、次橫梁、主縱梁和次縱梁以及樁基均采用空間梁?jiǎn)卧M，樓板采用板單元模擬。

為較準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)受力并考慮到計(jì)算效率，在建立有限元模型時(shí)，沿長(zhǎng)度方向選取框架的3 個(gè)節(jié)間進(jìn)行建模，且每個(gè)單元?jiǎng)澐植怀^1.2m。考慮實(shí)際受力情況，樓板單元與各梁?jiǎn)卧捎霉补?jié)點(diǎn)的方式連接。根據(jù)地勘報(bào)告，計(jì)算出土對(duì)樁基不同方向的剛度，模型中將土對(duì)樁基的作用采用節(jié)點(diǎn)彈性支承模擬[4]。整個(gè)模型共劃分2115 個(gè)節(jié)點(diǎn)，2748 個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧矂澐?596 個(gè)，板單元共劃分1152 個(gè)。有限元效果如圖2 所示。

圖2 有限元效果

2.2 荷載組合

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，作用分類為永久作用、可變作用、偶然作用和地震作用。為了結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，將各種荷載進(jìn)行組合，如表1 所示。

表1 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的荷載組合

2.3 結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

本文利用Midas 軟件針對(duì)基本組合類型（cLCB2）進(jìn)行計(jì)算，本次結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

根據(jù)Midas Civil 計(jì)算出的內(nèi)力結(jié)果，選取最不利的荷載組合。按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD 62—2004）要求分別對(duì)框架各結(jié)構(gòu)進(jìn)行了承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算[5]，本文以頂板和主橫梁的驗(yàn)算為例。

3.1 頂板驗(yàn)算

3.1.1 正截面抗彎承載力驗(yàn)算

依據(jù)荷載組合中的基本組合，按式（1）～（式3）對(duì)頂板的正截面抗彎承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，其正截面彎矩計(jì)算值Mu為117.296kN·m，數(shù)值模擬計(jì)算的彎矩Md為61.5kN·m，判別偏心受壓構(gòu)件正截面承載力是否滿足要求如式（4）所示。

通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果，可以看出頂?shù)装逅袉卧恼孛婵箯澇休d能力均符合要求。

3.1.2 斜截面抗剪承載力驗(yàn)算

斜截面抗剪承載力驗(yàn)算如式（5）～式（9）所示。

依據(jù)荷載組合中的基本組合，按式（5）～式（9）對(duì)頂板的斜截面抗剪承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，其斜截面抗剪承載能力為677.36kN，數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果為194.3kN，不難看出，頂板的斜截面抗剪承載能力均符合要求。如式（10）所示。

3.1.3 裂縫寬度驗(yàn)算

裂縫寬度驗(yàn)算如式（11）～式（12）所示。

依據(jù)荷載組合中的基本組合，按式（11）～式（12）對(duì)頂板的裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算，其最大裂縫寬度Wtk為0.07mm，判別是否滿足裂縫寬度是否滿足要求如式（13）所示。

通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果，可以看出頂?shù)装逅袉卧牧芽p寬度均符合要求。

3.2 主橫梁（頂板）驗(yàn)算

3.2.1 正截面偏心受壓承載能力驗(yàn)算

按式（1）～式（3）對(duì)主橫梁（頂板）的正截面抗彎承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，其正截面彎矩計(jì)算值為Mu為2796，數(shù)值模擬計(jì)算的彎矩Md為2036，通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果，可以得出主橫梁所有單元的正截面抗彎承載能力滿足要求。

3.2.2 斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算

如上述步驟，按式（5）～式（9）對(duì)主橫梁（頂板）的斜截面抗剪承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，其斜截面抗剪承載能力為2426kN，數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果為1041kN，不難看出，主橫梁（頂板）的斜截面抗剪承載能力均符合要求。

3.2.3 裂縫寬度驗(yàn)算

依據(jù)荷載組合中的基本組合，按式（11）～式（12）對(duì)主橫梁的裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算，其最大裂縫寬度Wtk為0.189mm，通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果，可以看出主橫梁所有單元的裂縫寬度符合要求。

4 結(jié)語

隨著城市地下空間建設(shè)發(fā)展，大型城市地下結(jié)構(gòu)綜合體的興建越來越多，本文利用了Midas 對(duì)基坑排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，并選取最不利的荷載組合對(duì)其驗(yàn)算。結(jié)果表明，該框架各結(jié)構(gòu)的正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載能力、裂縫寬度以及框架樁基的單樁軸向抗壓承載力、正截面抗壓承載力和裂縫寬度等均符合規(guī)范要求。在邊坡施工完成后，經(jīng)過了一個(gè)雨季的考驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)邊坡明顯變形，坡腳區(qū)域無變形現(xiàn)象，說明邊坡在加固后比較穩(wěn)定。設(shè)計(jì)方案可以保證該高邊坡的穩(wěn)定，進(jìn)一步證實(shí)該設(shè)計(jì)方案是切實(shí)有效的，為今后基坑排樁支護(hù)的研究提供思路的同時(shí)也為城市地下工程的修建積累經(jīng)驗(yàn)。