與主體結構相結合支撐系統的三維數值分析★

代恒軍

(中冶南方工程技術有限公司，湖北武漢 430223)

0 引言

近年來，隨著大城市的基坑向“大、深、緊、近”的方向發展和環境保護要求的提高，支護結構與主體結構相結合在國內迅速發展，成為軟土地區和環境保護要求嚴格條件下基坑支護的重要方法［1］。由于將永久地下主體結構作為支護結構的一部分，兩者之間必然有一定的影響，它既有利于永久地下結構的剛度對基坑變形控制貢獻的問題，又包含了基坑變形對永久結構產生附加的內力變形問題。地下結構梁板等構件除應滿足地下結構使用期設計要求外，尚應進行各種施工工況條件下的內力、變形等計算。在逆作施工階段在適當部位預留從地面直通地下室底層的施工孔洞，如出土孔、設備吊裝孔、施工電梯孔、通風孔等，開口處需進行應力和變形的計算，保證傳力可靠，必要時應采取相應的加固措施。

王湧等、徐中華等通過有限元對與地下主體結構相結合的混凝土水平支撐的結構進行了內力和變形分析［2，3］。

本文采用三維有限元方法對廈門某采用逆作法施工的基坑工程，在逆作施工過程中的地下室結構梁板兼作水平支撐體系按工況進行了數值模擬分析。該工程地下室為鋼結構地下室，結構梁為型鋼梁，板為混凝土板。可選擇的加固方案為混凝土梁加固或鋼梁加固。本文分別對兩種加固方法進行數值模擬分析，為施工方案的選擇提供理論依據。

1 工程概況

本工程地上為一座塔樓，共計40層，塔尖最高達到218 m，地下擬建5層，整個基坑面積4 600 m2，開挖深度為22 m～23 m。地下室樓板采用C40混凝土，地下室主梁、次梁分別采用H型鋼。擬建場地周邊環境較為復雜，場地北側、東側圍墻外緊鄰尚未拆除的多層磚混結構建筑物，基地西側緊鄰市政主干道鷺江道，其下有較多地下管線，在基坑圍護設計與施工中需加以保護。方案采用“兩墻合一”地下連續墻作為基坑周邊的圍護結構，兼作地下室主體結構外墻，承受使用階段的水、土壓力，并采用“逆作法”進行設計與施工。

因“逆作法”施工需要，在地下室樓板上預留了鋼結構和鋼筋吊裝出入口、出土口以及塔吊和電梯等開口，由于這些預留口開口較大，需對開口部位采取一定的加固措施，以承受水平方向的荷載。地下室樓板加固，可以對開口周邊的單根梁進行加固，如型鋼外包混凝土;也可以對開口周邊區域進行加固，如在開口附近區域，增加臨時梁，形成桁架，以提高開口附近區域整體剛度來承受水平荷載。

圖1和圖2分別為兩種加固方案。

圖1 采用外包混凝土梁加固方案

圖2 采用型鋼桁架梁加固方案

2 有限元模型

采用有限元軟件ANSYS建立三維有限元模型，考慮了梁板間的共同作用，比較真實的模擬了地下室梁板在基坑施工階段，在水平向土壓力和豎向自重、施工荷載作用下的內力和變形，為了簡化計算，主梁截面為H400×200×10×12，次梁截面為H350×180×8×12，混凝土圍檁截面為1 000×1 000，混凝土加固梁截面為1 000×800，型鋼加固梁采用 H300×180×8×12，梁單元均采用三維梁單元模擬，混凝土板采用殼單元模擬，材料參數見表1，梁板間相互作用采用相同節點耦合的處理方法來模擬。

表1 結構構件參數

梁板支撐系統水平向通常可以采用三種邊界條件:

1)在局部設置固定支座，這是通過在水平支撐位移極小的位置設置固定約束支座，限制其運動，來分析其內力和變形。

2)法向彈簧支座邊界，法向彈簧邊界是一種工程經驗方法，也是空間桿系模型分析時經常采用的邊界條件，彈簧剛度的取值主要根據工程經驗。

3)切向彈簧邊界。局部固定支座邊界計算結果在支座位置容易應力集中，且支座位置選取對計算結果也有較大影響，本文有限元模擬中水平向邊界條件采用法向彈簧支座邊界，在圍檁上加以均勻分布的彈簧，近似模擬圍護墻體及坑外土體對內支撐結構的約束作用。豎向邊界條件，取柱節點和圍檁處節點豎向位移為0。

圍護剖面計算采用規范推薦的豎向彈性地基梁法，由此得到各層樓板處的支撐反力，平面豎向彈性地基梁法的計算結果，地下三層樓板的支撐反力為800 kN/m，將這一反力均勻地加在地下三層結構的圍檁上，且垂直于圍檁的切線方向，并在樓板上施加豎向荷載6.5 kN/m2，并考慮結構梁板的自重。

3 有限元模擬結果分析

圖3～圖8給出了兩種加固方案下，樓板的有限元計算結果，從圖3～圖6可以看出，兩種加固方案下樓板的運動趨勢是一致的，總體變形值也是相近的。這是由于在荷載與邊界條件一致，且總體結構框架大部分相同的條件下，局部的剛度與結構的差異并不影響整體的變形。對比圖7，圖8，采用混凝土加固方案，圍檁的彎矩最大值為57 kN·m，采用型鋼梁加固方案，圍檁的彎矩最大值為53.6 kN·m，均是在臨近開孔區域最大，二者的分布規律也相同。內部梁的彎矩圖則有較大差異，采用混凝土加固方案，在洞口區域，由于型鋼混凝土加固梁水平方向的抗剛度較型鋼要大許多，故加固梁分擔的彎矩也大;采用型鋼加固方案，梁的彎矩圖分布較均勻。

圖3 水平面內X方向的位移云圖（外包混凝土梁加固）

圖4 水平面內Y方向的位移云圖（外包混凝土梁加固）

圖5 水平面內X方向的位移云圖（型鋼梁加固）

圖6 水平面內Y方向的位移云圖（型鋼梁加固）

圖7 水平面內彎矩等值云圖（外包混凝土梁加固）

圖8 水平面內彎矩等值云圖（型鋼梁加固）

4 結語

1)采用考慮梁板共同作用的三維有限元方法，邊界采用法向彈簧模型，能夠較好模擬梁板的協同作用，梁板結構的變形和內力，為設計和施工提供了指導。

2)從計算結果看，采用兩種加固方案都是可行的，均能滿足設計、施工要求，也能滿足保護環境的要求。

3)采用兩種方案加固樓板，在變形趨勢上是一致的，在受力上存在差異。采用外包混凝土梁加固，主要是通過提高邊梁剛度，減小邊梁變形，來與樓板協調;采用鋼桁架的加固方法是通過將過大的水平力轉化為梁的拉壓力，是順勢而為的做法。

4)從計算結果可知，采用外包混凝土梁加固方案時，應注意加強梁與柱節點的設計。

［1］王衛東，王建華.深基坑支護結構與主體結構相結合的設計、分析與實例［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007:1-105.

［2］王 湧，岳建勇.主體與支護結構相結合的水平支撐系統數值分析［J］.地下空間與工程學報，2005，1(4):591-594.

［3］王衛東，王建華.深基坑工程中主體工程地下結構與支護結構相結合的研究與實踐［J］.工業建筑，2004(sup):69-79.