平面與空間模型下邊墻結構內力分析

周少君

（廣州市人防建筑設計研究院有限公司　廣東　廣州　510500）

平面與空間模型下邊墻結構內力分析

周少君

（廣州市人防建筑設計研究院有限公司廣東廣州510500）

地下室結構的研究是一個地下結構工程的綜合性問題，在眾多結構中外墻結構是其中重要的一部分，其設計的合理性，直接關系到工程造價和結構安全。本文主要是對正在施工的某地下公共人防工程的邊墻結構的內力進行研究，采用有限元軟件Sap2000研究這種狹長的邊墻結構在三維空間模擬下的內力規律，與平面模型墻體結構的內力進行比較分析，得出各自的特點并分析其各自優缺點。最后進一步分析了當對外墻結構采取不同措施時在三維空間模型下其內力的變化規律，旨在為實際施工過程提供一些具體的指導意義。

大型地下空間；超長結構體系；邊墻；有限元分析；受力狀態

引言

隨著城市建設的快速發展，社會環境和配套設施的提高，地下空間的應用在建設中的重要性日益突出。地下室的設計越來越多，不但要滿足停車的需要，同時要滿足人防的要求，地下室建筑功能的增多勢必帶來結構的越來越復雜。地下空間的開發利用逐漸普遍，由于功能要求，地下室往往面積大，體量大。地下室的結構中，外墻是其中重要的結構構件，其設計的合理正確與否，直接影響到工程造價和結構安全。建筑物中主要由墻體結構來承擔豎向的承重構件時，此時墻體不但要承擔由水平構件傳來的豎向的荷載，同時還要承擔由于風荷載或著地震作用而傳來的水平地震作用。剪力墻就是由此而得名（抗震墻-抗震規范中的定名）。剪力墻結構是建筑物中的分隔墻和圍護墻部分，因此墻體結構的布置必須要同時滿足建筑結構的平面布置與結構布置兩方面的要求。地下室墻體作為建（構）筑物中要的組成部分，其工程質量一直倍受關注，所以其內力、應變、施工工藝等一直是研究的重點。

1　以某工程為例，結構計算模型假定

1.1工程基本情況

某大型地下公共人防工程，為目前國內建筑規模最大的單建式平戰結合人防工程，下沉式廣場的設計，為無梁的板-柱框架結構。該工程設計為地下兩層，平時功能為商場、人行過街通道、地下停車庫，負三層為設備房；戰時功能為人員掩蔽工程、防空專業隊工程、物資庫及其他配套工程。

工程總長1800m，寬120m，總面積約750600m2，抗力等級為核6（常6）級，頂板上覆土厚3m，地下水位為滿水。頂板和底板厚均為600mm，中板厚為400mm，負二層的外墻的厚度為650mm，負一層的外墻的厚度為600mm，柱子的截面尺寸是800mm×800mm。

避難走道邊墻超長為典型的狹長結構，主體結構剖面形式如圖1，剖面左右兩邊為避難走道。

1.2結構計算模型與假定

1.2.1結構平面計算模型

Sap2000通用有限元結構分析軟件，運用等效剛度原則將柱結構等效成墻體，選取縱向14跨墻體建立其平面的計算模型如圖2。

圖1　本工程主體結構剖面圖

圖2　平面計算簡圖

本工程采用800mm×800mm的柱結構，縱橫向柱距均為9m，由式（1～10）可知該柱可等效為360mm的墻體。

對其平面的簡化模型本文作如下假定：

（1）該工程屬于狹長結構，其縱向長度遠比橫向長度大許多，因此假定縱向長度無限大；

（2）結構沿縱向材料和幾何尺寸連續不變化；

（3）作用在結構上的荷載沿縱向連續分布且不變化。

1.2.2結構空間計算模型

用殼單元模擬結構頂板、底板、各層樓板、側墻等，用空間梁柱單元模擬柱。其空間框架結構如圖3所示。

圖3　空間框架結構計算簡圖

1.2.3對荷載模型的假定

（1）實際工程中，沒有任何材料的應力-應變關系是完全遵循線性關系的，線性假設僅是一種近似處理方法，對于大多數工程材料而言，在外荷載不足以使其結構破壞的情況下，這種近似是與實際較為吻合，能夠較好的確定設計中的許可應力和應力限值。本文將研究在不同簡化條件下結構內力的變化，因此取結構和土均為線彈性、各向同性是可行的。

（2）采用荷載結構模型，此模型的基本思想是把土體對結構的作用看作是作用在結構上的荷載，依此進行結構內力的計算。框架結構與巖土層之間存在相互作用，巖土層對框架產生地層抗力，這類問題中考慮到地層抗力作用的方法有兩種：①假定地層的抗力和地層的位移無關，而是和承受的荷載相對平衡的反力作用，并且首先合理假定它的分布形式；②認為地層的抗力作用從屬于地層變形，一般情況下均假定兩者成線性關系，也稱其為彈性抗力。本章選用第一種方法即采用荷載結構模型來模擬邊界條件，利用它能夠定量的計算出各種荷載的大小、準確地確定各種荷載的分布形式，這種模型適用于各類地層。

（3）邊界條件：施加垂直于土體表面和平行于土體表面的位移約束；荷載邊界按照荷載值施加。

1.3荷載計算

1.3.1荷載工況

在計算中考慮以下荷載基本組合：①平時工況：恒載+活載；②戰時工況：恒載+人防荷載。其荷載組合分項系數見表1所示。

表1　荷載分項系數表

1.3.2荷載計算

（1）正常使用階段（平時工況）荷載標準值計算地面超載標準值：q0=20kN/m2；

公共區人群荷載標準值：q人群=3.5kN/m2；

地下水位按滿水計算。

豎向土壓力標準值：qt=γ1h1=（20-10）×3=30kN/m；

結構側向土壓力：

結構頂板水壓力：qw=γwh1=3×10=30kN/m2；

結構側向水壓力：

結構底板水浮力：q浮=（10+3）×10=135kN/m。

結構自重由程序自行考慮。

（2）人防使用階段（戰時工況）荷載標準值計算

該工況下不與地面活載組合。人防設計等級為6級。

人防荷載標準值：q=50kN/m2；

墻面均面荷載設計值：Q1′=1.2qB′+q2=50+1.2×103.65= 174.38kN/m2；

墻面三角形荷載設計值：Q2′=1.2（qA′-qB′）=1.2×（174.9-103.65）=85.5kN/m2。

2　不同模型下邊墻結構內力分析研究

Sap2000模型下邊墻結構內力的變化規律：

本工程在建模過程中的框架參數為：頂板厚600mm，中間層板厚400mm，底板厚600mm，負一層外墻厚600mm，負二層外墻厚650mm，等效墻厚360mm，板、柱和墻體均采用C35混凝土，其它構件采用C30混凝土。

在Sap2000模型中，本論文約定沿z軸方向為結構的高度，沿x軸方向為結構的寬度，沿y軸方向為結構的長度方向。在空間結構模型中，不同工況下荷載模型如圖4～5。

圖4　平時工況下空間框架荷載模型（單位：kN·m）

圖2　戰時工況下空間框架荷載模型（單位：kN·m）

2.1平面模型下側墻內力的變化規律（如表2）

表2　平面模型下外墻彎矩M11值（單位：kN·m）

2.2空間模型下側墻內力的變化規律（如表3）

由表2～3可以看出：①跨中彎矩值與上部節點彎矩值有10%的差異，而下部節點的彎矩值則相對而言相差了30%，比其他兩個部位的稍大，是由于底板與墻體的連接方式的不同（底板與邊墻為固接）而導致，以致于出現了彎矩集中的現象，從而導致30%的差異；②兩種工況下從表2～3中數據可以看出，大部分為空間模型下的外墻內力較小，但是在平時工況時，從表2～3可以看出負二層外墻的彎矩值在平面模型中較小，相差在10～30%之間，波動較大。在平面模型中采用了等效墻厚的方法，將柱子等效成360mm厚的墻體作用在邊墻上，承擔上部結構豎向傳遞的荷載，與實際工程中的邊墻沒有柱子的狀態失真，所以其彎矩值較小；空間模型則更接近實際情況，模擬更成功。

表3　空間模型下外墻彎矩M11值（單位：kN·m）

3　結語

總體來講這兩種簡化方法對外墻內力的影響不大，主要是由于這兩種分析方法中對外墻的約束條件基本一致，同時在建模過程中對外墻基本沒有進行簡化，所以不論用哪種方法對計算結果沒有大的影響；但是由于空間模型中采用空間板殼單元模型來模擬邊墻，認為相鄰板殼單元之間、兩個方向上豎向變形相互受到約束，同時也考慮到了構件之間的協同作用，因此計算出的內力與實際更為接近，由此可以看出空間模型的優越性。因此空間結構模型比平面簡化模型要好，在整體計算結果中空間計算方法得到的外墻內力比平面計算方法得到的外墻內力要略小一些。考慮到實際工程的經濟效益等，設計中采用空間模型更為合理方便，由于地下工程都是比較大型的，內力的大小直接影響到配筋量的大小，從而產生巨大的經濟效益。

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TU93

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1673-0038（2015）08-0030-03

2015-2-6