沉井下沉施工階段井壁有限元整體計算分析

郭峰（北京桑德環(huán)境工程有限公司 北京 101102）

0 引言

沉井結(jié)構(gòu)形式由于施工時占地面積小、對鄰近建構(gòu)筑物影響較小， 并且內(nèi)部空間可以充分利用等特點，在工程中有廣泛的應(yīng)用，比如市政工程中的給、排水提升泵站，道路橋梁的基礎(chǔ)工程等。沉井在下沉階段,是一種圍護結(jié)構(gòu)體系，而在終沉封底或填充后又成為了地下構(gòu)筑物或深埋基礎(chǔ)的組成部分。因此，在各個不同的階段，從制作、下沉到竣工建成投入使用，沉井結(jié)構(gòu)各個部分的受力體系、承受的外部荷載及荷載作用的情況都在不斷變化。所以，沉井結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算也相應(yīng)的必須按從施工到使用的各個階段分別進行，從而保證沉井能夠滿足強度、剛度和穩(wěn)定性等的要求。尤其是在沉井下沉階段，施工方法較多，結(jié)構(gòu)本身受力情況也很復(fù)雜。本文以利民河截污調(diào)蓄工程中的調(diào)蓄池設(shè)計為例，比較和討論了沉井下沉階段井壁通常使用的表格計算法與采用佳構(gòu)STRAT軟件整體建模計算法，選取最不利工況對二者的結(jié)果進行對比分析，得出了結(jié)論。

1 工程概況

項目為利民河截污調(diào)蓄工程中的調(diào)蓄池，項目位于江蘇省淮安市。這個調(diào)蓄池池體埋深較深，為8.6m，池頂覆土1.2m，平面尺寸為22mx12m。綜合考慮地勘報告以及周邊構(gòu)建筑物情況，此池體采用了沉井結(jié)構(gòu)形式，平面、剖面圖詳見圖1、圖2。

2 項目背景

本工程整體為外協(xié)單位所設(shè)計，圖紙需拿到我單位進行圖審。本文將結(jié)合此次圖紙校審的過程對沉井結(jié)構(gòu)進行計算分析。

2.1 第一版圖紙

第一版圖紙的剖面配筋圖詳見圖3。

根據(jù)地勘報告，項目所在地區(qū)地下水位較高，建議抗浮水位為場坪標(biāo)高下0.5m。圖紙設(shè)計說明中明確此沉井為不排水下沉，按工程經(jīng)驗判斷，如此大的跨度，在如此高地下水以及土壓力的作用下，設(shè)計的壁厚及配筋遠遠不能滿足承載力要求，裂縫則更是無法滿足規(guī)程要求的“沉井結(jié)構(gòu)下沉階段裂縫寬度不大于0.25mm”。遂在圖紙校審意見中提出“沉井應(yīng)復(fù)核鋼筋，由于平面尺寸較大，應(yīng)設(shè)置扶壁柱及支撐梁，形成框架體系。否則無法滿足受力要求”。

圖1 調(diào)蓄池平面圖

圖2 調(diào)蓄池剖面圖

2.2 第二版圖紙

外協(xié)單位所發(fā)第二版圖紙中，按照之前意見加設(shè)了暗柱及中柱，并且通過梁進行連接，形成了整體框架。修改平面圖及剖面圖詳見圖4、圖5。

3 結(jié)構(gòu)分析復(fù)核

3.1 原設(shè)計計算方法及配筋

形成框架體系的第二版圖紙基本符合了設(shè)計原則，滿足工程經(jīng)驗要求，在此基礎(chǔ)上對這個調(diào)蓄池單體進行進一步的校核分析。

原設(shè)計修改后的剖面配筋詳見圖6。

外協(xié)設(shè)計單位提供了計算書。一般沉井計算按《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》[1]中的規(guī)定進行。在葛春輝所著《鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計施工手冊》[2]中有較為詳細的計算過程及算例。另外，還有《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊（第二版）》[3]中也有關(guān)于沉井的章節(jié)，亦提供了相應(yīng)的手算計算方法。但上述資料中的算例均為單格小型沉井，對于較為復(fù)雜的沉井比如多格以及需要設(shè)置扶壁柱和支撐梁的并未涉及。沉井結(jié)構(gòu)若采用人工手算的話，計算量較大，特別是對于如上所述較為復(fù)雜的沉井來說更是如此。而且手算無法考慮結(jié)構(gòu)的整體效應(yīng)，只能按單塊板、單根梁柱近似計算。外協(xié)單位所采用的即是上述方法。對于采用梁柱對沉井結(jié)構(gòu)的分格支撐作用，直接采用分格后的柱間跨度，按照單格沉井進行了計算。這樣忽略了沉井各個區(qū)格之間的相互作用，而且對支撐的梁柱體系本身受力情況沒有充分考慮，結(jié)果無疑是不夠精確的。

采用表格法計算的最大內(nèi)力處為刃腳根部以上一段井壁范圍（通常考慮1.5倍井壁厚度），此處不僅外土外水壓力最大，而且疊加了刃腳傳來的彎矩，這也是沉井結(jié)構(gòu)最不利的部位。外協(xié)單位提供的計算書詳見圖7：

圖3 剖面配筋圖

圖4 修改后平面圖

圖5 修改后剖面圖

3.2 采用佳構(gòu)STRAT整體建模

要想較為準(zhǔn)確的對其進行內(nèi)力分析，軟件整體建模無疑是最佳選擇。但目前尚無可以針對沉井直接進行計算分析的結(jié)構(gòu)程序。對此只能把沉井結(jié)構(gòu)在制作、下沉到竣工投入使用各個階段的具體工況，與通用有限元軟件結(jié)合起來進行考慮。沉井設(shè)計主要需要驗算的內(nèi)容為：

（1） 下沉驗算。下沉系數(shù)應(yīng)大于1.05，這樣沉井可以靠自重下沉，但下沉系數(shù)又不能太大，此系數(shù)應(yīng)控制在0.8到0.9之間，避免發(fā)生突沉、超沉情況；

（2）豎向抗拉驗算。避免沉井下沉過程中產(chǎn)生斷裂；

（3） 土體穩(wěn)定性驗算。如果沉井為頂管工作井，需驗算頂管力作用下后背土體的穩(wěn)定性；

圖6 修改后的剖面配筋

圖7 表格法計算書

（4） 井壁內(nèi)力計算與配筋。需驗算沉井下沉、封底、頂管以及使用各個階段的井壁受力情況，并進行相應(yīng)的配筋；

本項目為調(diào)蓄池，無需考慮頂管力的作用影響。在前三項計算內(nèi)容中，前文所提到的規(guī)程、手冊中已提供了較為簡明的計算方法，此處不再贅述。以下主要介紹佳構(gòu)STRAT在對沉井下沉階段井壁內(nèi)力分析上的應(yīng)用，考慮最不利工況進行內(nèi)力的有限元計算分析，對原設(shè)計進行校核。

佳構(gòu)STRAT計算軟件對于水池類構(gòu)筑物三維建模、加荷、剖分、計算、輸出都比較方便。下面對佳構(gòu)STRAT建模計算的主要步驟進行分述：

3.2.1 單元模擬與網(wǎng)格剖分

佳構(gòu)STRAT計算軟件對池壁采用“超元”進行模擬，網(wǎng)格剖分在屬性中設(shè)置之后會在后續(xù)計算中自動形成，不必重復(fù)操作。模型建立過程中，比較重要的是對井壁局部坐標(biāo)系的建立，此步驟非常關(guān)鍵，直接關(guān)系到后續(xù)的荷載添加是否準(zhǔn)確。

3.2.2 邊界約束條件

軟件可以方便地添加各種約束，此處對池壁下端添加線約束，約束方式為鉸接。

3.2.3 荷載輸入

沉井外壁的地下水壓力及土壓力，在總體參數(shù)中對結(jié)構(gòu)工況進行定義，通過軟件的“流體、土體表面壓力”來添加。在前面所說建立正確的池壁局部坐標(biāo)的前提下，可以較為快捷地進行水、土壓力的布置。

3.2.4 整體計算

建模完成之后運行“單元整合”命令，對模型進行檢查，檢查無誤后生成計算模型（詳見圖8），運行STRAT計算模塊進行計算分析。

圖8 整體模型

3.3 計算結(jié)果分析及復(fù)核

沉井下沉至設(shè)計標(biāo)高，且底板未澆筑的狀態(tài)為下沉階段的最不利工況，此時沉井外荷載達到最大，并且尚未進行封底，各井壁處于單向受力狀態(tài)。下面重點對此工況進行計算分析，與手算結(jié)果對比校核。

井壁在池外水壓土壓組合作用下水平彎矩云圖詳見圖9～圖11。

圖9 水平彎矩云圖

圖10 長方向井壁水平彎矩云圖

圖11 短方向井壁水平彎矩云圖

通過對井壁的應(yīng)力云圖進行分析，在支撐梁位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中，與其支座條件特點相符。在三角形分布的外土壓力、外水壓力作用下，井壁外側(cè)呈現(xiàn)出下部彎矩比上部彎矩大的規(guī)律，與荷載分布特征相符，從而說明軟件計算分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)概念分析是一致的。具體查看內(nèi)力數(shù)值，對比手算得到的計算數(shù)值，發(fā)現(xiàn)井壁手算結(jié)果總體大于整體建模計算的內(nèi)力值，井壁內(nèi)力最大處鋼筋復(fù)核滿足規(guī)范要求。表格手算得到的最大彎矩如圖7中所示為1 167.32KN·m/m（取絕對值，正負規(guī)定與軟件相反），整體模型相應(yīng)最大彎矩值為960KN·m/m。進而從整體建模的計算結(jié)果（圖10）中可以看到,井壁最大彎距的位置與手算所得到的也不相同。在整體模型中,結(jié)構(gòu)的支座最大彎矩并不在外荷載最大處（即刃腳根部之上一段井壁，范圍一般取1.5倍井壁厚度），而在更靠上的位置，表明各個井壁間并非獨立的板單元，相互之間有作用，產(chǎn)生了空間效應(yīng)。通過以上的對比分析，得出手算過程沒有考慮結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，結(jié)果偏保守，滿足工程設(shè)計要求。但同時也說明手算結(jié)果也有一定的優(yōu)化空間。

對于支撐結(jié)構(gòu)的梁柱計算在外協(xié)單位的計算書中并未體現(xiàn)，所配鋼筋應(yīng)該是根據(jù)經(jīng)驗附加簡單手算得來。而通過整體建模則可以準(zhǔn)確得到這些構(gòu)件的各種內(nèi)力，從而為配筋建立依據(jù)。

池外水壓土壓組合作用下梁柱彎矩圖詳見圖12：

圖12 土壓組合作用下梁柱彎矩圖

池外水壓土壓組合作用下梁軸力圖詳見圖13：

圖13 池外水壓土壓組合作用下梁軸力圖

4 結(jié)語

佳構(gòu)STRAT軟件具有方便快捷的圖形功能、完備的荷載處理功能，在進行較復(fù)雜沉井設(shè)計時，通過STRAT軟件整體建模分析，大大提高了計算精度，而且可以根據(jù)需要給出相應(yīng)的應(yīng)力圖，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供直觀的計算結(jié)果依據(jù)。筆者結(jié)合實際工程項目—利民河截污調(diào)蓄工程中的調(diào)蓄池沉井單體，通過采用有限元軟件對手算結(jié)果的校核，指出了近似手工計算復(fù)雜的沉井未考慮結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)，彎矩最大部位與實際不同，另外計算結(jié)果偏于保守，存在優(yōu)化空間。所以可以說，在設(shè)計沉井結(jié)構(gòu)時，還應(yīng)優(yōu)先采用空間整體模型進行計算，以確保結(jié)構(gòu)的安全，并且提高經(jīng)濟效益。