內隔墻設洞口的大型沉井三維結構分析

陳亮亮，管曉燕

(1. 安徽省電力設計院，安徽 合肥 230601；2. 安徽省水利水電勘測設計院，合肥 230022)

內隔墻設洞口的大型沉井三維結構分析

陳亮亮1，管曉燕2

(1. 安徽省電力設計院，安徽 合肥 230601；2. 安徽省水利水電勘測設計院，合肥 230022)

按照規程的設計方法，將沉井結構的三維立體結構計算轉化為平面結構計算。但是隔墻設置洞口時，轉化后的平面結構計算就會出現問題。為安全考慮，設計和施工時內隔墻洞口往往設置臨時隔墻，在沉井封底后再全部敲除的，這給施工造成了極大的麻煩。本文針對該問題，對于實際工程中，大型沉井結構進行4種模型分析：平面分析模型、無洞口分析模型、帶洞口分析模型以及帶壁柱的洞口分析模型。根據四種模型分析對比，考慮洞口處設置臨時隔墻的必要性。

沉井；洞口；壁柱；臨時隔墻。

沉井是一種在地面上制作，通過移除井內土體的方法使之下沉到某一深度的井體結構。由于沉井在建造地下構筑物中顯示的優越性，隨著施工技術和施工機具的不斷發展而獲得越來越廣泛的應用。無論是設計理論方面或是實踐技術方面，均積累了十分豐富的經驗，我國已有了完善的設計規程(CECS 137:2002)和施工驗收規范。

按照規程的設計方法，將沉井結構的三維立體結構計算轉化為平面結構計算。但是，由于隔墻的洞口設置，必然造成在某一高度平面上的沉井結構失去了約束，使得外墻計算長度很大，造成內力非常大而不好配筋。由于洞口上下都有支撐隔墻，簡單的認為孔洞處的約束不存在顯然是不合理的。針對孔洞的處理，一般的做法是在孔洞外池壁處設置壁柱，同時在孔洞處設臨時隔墻，兩者共同作用代替隔墻的支撐效果，所以計算模型仍然可以認為此處為固端約束。但是，臨時隔墻根據工藝要求，在沉井結構使用之前是應該全部敲除的，這給施工造成了極大麻的煩。因此，臨時隔墻的設置與否就是一個必須解決的問題。

考慮上下隔墻對洞口的影響，采用簡單的平面分析模型是無能為力的，必須對沉井結構進行三維有限元分析。本文使用MIDAS/GEN軟件，對內隔墻設洞口的大型沉井進行分析，以探討洞口對結構的影響，進而分析內部臨時隔墻的必要性。

1 基本資料

1.1 幾何尺寸

某工程循環水泵房位于海邊，為多格地下池體建筑，采用沉井方案進行設計和施工。結構總尺寸為37.4m×30.0m。中間分為5行4列共20格。每格寬6.0m，長度不等，最大為8.1m。外壁均為1.5m厚，內壁為1.0m厚。沉井結構總高度15.6m，隔墻高15.0m，底板厚1.5m。采用C30混凝土，HRB335級鋼筋，保護層厚度50mm。設計最大裂縫寬0.2mm。

1.2 土層參數：詳見表1

1.3 施工工藝

泵房工作區四周設臨時防水壩體，工作區內進行深井排地下水。泵房進行排水下沉干封底。

表1 沉井工程所在區域土層參數

2 沉井結構平面分析結果

2.1 外力分析

沉井結構受水土壓力荷載作用，為簡化分析，采用重液壓力公式[5]：

其中：z為計算點至地面的深度(m)；γ為水土混合重液的重度，可取13kN/m3；

按照規程6.1.16(3)中說明，刃腳根部以上高度等于該處井壁厚度1.5倍的一段井壁，施工階段計算時，除考慮作用在該段上的水土壓力外，尚應考慮由刃腳傳來的水土壓力作用。

對井壁在高度上進行分段，分別選取標高-10.10m～-13.80m(P1)、-7.10m～-10.10m(P2)、-4.10m～-7.10m(P3)、-1.10m～-4.10m(P4)、1.00m～-1.10m(P5)的井壁，其荷載結果為：

2.2 內力分析

使用PKPM(2005網絡版)對水平框架進行內力和配筋計算。對框架進行豎直和水平兩種方向上約束進行計算。根據計算結果，沉井底部最大彎矩為2426kN.m，對該層配筋結果為Ф32@80，裂縫為0.2mm。

3 未設洞口的沉井結構三維分析

模型的建立：首先取每面墻的中心線作為軸線，建立沉井結構的平面模型，然后對沉井內外壁進行拉伸處理，得到整個沉井的三維結構模型。其中，需對沉井結構進行分隔，以進行有限元分析。分隔的原則是：分隔單元最好接近于正方形，長寬比小于等于2，盡量不出現凹角。為此，本模型分隔長度縱橫都取為1m，這樣能很好的分隔整個沉井結構。

模型分析結果：位移等值線圖如圖1所示。并在底部截取線1(cut line #1)和線2(cut line #2)，得到兩條線上的彎矩值，如圖2、圖3所示。

圖1 位移等值線圖

根據分析結果，結構最大彎矩值為2015kN.m/m，結構最大變形值為1.82mm。

4 帶洞口的沉井結構三維分析

對于3中所建立的模型，在不同的外壁和隔墻上建立帶洞口的模型。模型分析結果：位移等值線圖如圖2所示。并在底部截取底部X，Y方向上的剖面線，得到兩條線上的彎矩值。

圖2 位移等值線圖

圖3 位移等值線圖

根據分析結果，結構最大彎矩值為2020kN.m/m，結構最大變形值為6.05mm。

5 設壁柱時沉井結構三維分析

模型的建立：對于4中所建立的模型，在洞口外墻處加設壁柱和臨時支撐梁。并在底部截取底部X，Y方向上的剖面線，得到兩條線上的彎矩值。

根據分析結果，結構最大彎矩值為1879kN.m/m。結構最大變形值為1.91mm。

6 結論

6.1 內力分析比較

本文中共采用四種不同的模型對沉井結構進行分析：模型1、無洞口的平面分析模型；模型2、未設洞口的三維分析模型；模型3、設洞口的三維分析模型；模型4、設壁柱結構的三維分析模型。四種分析模型的特征值如表2所示：

表2 四種模型分析結果比較

6.2 模型結果分析

模型1和模型2、3、4的值相差較大，原因在于分析模型的受力不一樣，在模型1中，認為最下層的模型受力除了受該層本身水土壓力荷載的作用，同時還受到來自下部刃腳處的荷載，將這兩個相疊加，并且認為該層上部結構對下層沒有約束作用，這些都是對沉井結構的較保守計算。

模型2、3、4中，最大彎矩值相差不大，即使是在沉井設有洞口的情況下，模型3的彎矩值較模型2的最大彎矩值也沒有非常大的增加，原因在于洞口設置的位置并不是在最底部，洞口上下仍然還有隔墻的支撐作用效果。但是，由于洞口的存在，使得在該位置的變形大大增加。模型4由于在相應的位置對洞口進行了加固(設壁柱和臨時支撐結構)，使得變形值有了較大的改善。考慮到實際施工中不確定因素的影響，為安全考慮，可以將模型4的實際配筋計算仍然按照模型1進行。

一般設計中，針對孔洞的處理，一般的做法是在孔洞外池壁處設置壁柱，同時在孔洞處設臨時隔墻。但是，臨時隔墻根據工藝要求，在沉井結構使用之前是應該全部敲除的，這給施工造成了極大麻的煩。根據分析對比，本工程的臨時隔墻可以取消，為簡化施工工序提供了計算依據。

[1]GB50010-2002 混凝土結構設計規范[S].

[2]GB50007-2002. 建筑地基基礎設計規范[S].

[3]吳德安. 混凝土結構計算手冊(第三版)[K]. 北京：中國建筑工業出版社.

[4]葛春輝. 鋼筋混凝土沉井結構設計施工手冊[G]. 北京：中國建筑工業出版社.

[5]CECS 137:2002. 給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程[S].

[6]給水排水工程結構設計手冊編委會. 給水排水工程結構設計手冊[K]. 北京：中國建筑工業出版社.

Three-dimensional Structure Analysis on Large Sinking Well with Holes

CHEN Liang-liang2, GUAN Xiao-yan2
(1. Anhui Electric Power Design Institute, Hefei 230601, China;
2. Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower, Hefei 230022, China)

According to the method of existing criterion, the calculation of sinking wall shall be changed into plane structure. But if holes were set on wall, there shall have problem in calculation. For safety, inner temporary partition walls shall be considered, and they shall be struck away after the motherboard was built. This way shall be very dif fi cult for construction. This paper shall do some analysis on this problems basing actual work, and take 4 types models: plane model, non-hole model, hole model, and hole-with-wall columns model. According to the structure analysis of 4 models, the necessity of temporary partition walls shall be considered.

sinking well; hole; wall column; temporary partition wall.

TM621

B

1671-9913(2011)02-0057-03

2010-02-16

陳亮亮(1983- )，男，江西南昌人，工程師，現在安徽省電力設計院從事水工結構設計工作。