Ⅱ型地下連續(xù)墻接頭力學(xué)性能的簡易計(jì)算方法

金曉飛　 張玉良　 梁書亭　 朱筱俊

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院,南京210096)(2東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,南京210096)

Ⅱ型地下連續(xù)墻接頭力學(xué)性能的簡易計(jì)算方法

金曉飛1張玉良1梁書亭1朱筱俊2

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院,南京210096)(2東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,南京210096)

摘要:運(yùn)用等值梁法對Ⅱ型地下連續(xù)墻接頭在施工階段的受力和變形進(jìn)行理論分析,并給出了Ⅱ型接頭施工過程中內(nèi)力和變形的計(jì)算公式.利用得到的計(jì)算方法,計(jì)算實(shí)際工程中Ⅱ型地下連續(xù)墻接頭的內(nèi)力及變形,并通過建立三維非線性有限元模型驗(yàn)證了該計(jì)算方法的正確性,分析了上端2種不同約束形式對接頭力學(xué)性能的影響.分析表明，上端剛接約束比鉸接約束接頭的內(nèi)力分布均勻,最大變形小.該方法可為以后該類接頭初步預(yù)測及檢查設(shè)計(jì)提供參考.

關(guān)鍵詞:Ⅱ型接頭;力學(xué)性能分析;簡易計(jì)算方法;施工過程模擬

doi:10.3969/j.issn.1001-0505.2015.05.002

中圖分類號:TU473

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:??碼: A

文章編號:??號: 1001-0505(2015)05-0929-06

Abstract:By using equivalent beam method, the force and deformation of a type Ⅱ joint of diaphram wall in the construction stage are theoretically analyzed, and a simplified calculation method of the forces and deformation of a type Ⅱ joint is proposed based on the analysis of the construction sequences of joint. Using the calculation method, the force and deformation of a type Ⅱ joint in the practical project are calculated, and the proposed method is verified through the three-dimensional nonlinear finite element method. Then, the effect of two kinds of tupper end constraints on the joint mechanical properties is analyzed. The results show that the rigid constraint can improve the stress state of joint, and make the maximum deformation of joint smaller than simple support. The proposed method can be used to preliminarily predict and check the final results of design.

收稿日期:2015-02-03.

作者簡介:??: 金曉飛(1985—)，男，博士生;梁書亭(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，stliang@seu.edu.cn.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208181)、“十二五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAJ10B08)、江蘇省“333高層次人才工程”資助項(xiàng)目(1105000207).

Simplified calculation method for mechanical performance of

type Ⅱ joint of diaphragm wall

Jin Xiaofei1Zhang Yuliang1Liang Shuting1Zhu Xiaojun2

(1School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

(2Architects and Engineers CO., LTD, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Key words: type Ⅱ joint; analysis of mechanical properties; simplified calculation method; construction process simulation

引用本文: 金曉飛，張玉良,梁書亭,等.Ⅱ型地下連續(xù)墻接頭力學(xué)性能的簡易計(jì)算方法[J].東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015,45(5):929-934. [doi:10.3969/j.issn.1001-0505.2015.05.019]

隨著城市化進(jìn)程的加速和高層建筑的增多,基坑工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐變得越趨復(fù)雜,基坑開挖問題也越來越成為巖土工程領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn).到目前為止,地下連續(xù)墻被用作圍護(hù)結(jié)構(gòu)甚至是“兩墻合一”結(jié)構(gòu)在深基坑施工中所占的比例越來越大,為了保證墻體整體性能和抗?jié)B漏性能,選擇恰當(dāng)?shù)牡叵逻B續(xù)墻接頭是地下連續(xù)墻工程中應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題之一,研究表明接頭的設(shè)計(jì)方法和施工工藝對整個地下連續(xù)墻工程的質(zhì)量影響很大[1-5].

近年來,國內(nèi)外研究人員對地下連續(xù)墻接頭形式進(jìn)行了研發(fā)及實(shí)踐,為各種地質(zhì)條件下的連續(xù)墻提供了有效的接頭形式[6].地下連續(xù)墻接頭按其受力特點(diǎn)主要分為柔性和剛性2種接頭形式.其中,柔性接頭與地下連續(xù)墻之間無可靠剛性連接,此類接頭的應(yīng)力傳遞效果差,受力后易變形,且基本沒有抗剪和抗彎能力;剛性接頭傳遞應(yīng)力能力較強(qiáng),其抗剪和抗彎能力較好,且滲水路徑較長，止水效果較好[7].近年來,在我國的地下連續(xù)墻工程中工字鋼接頭是一種較常用的接頭形式,這種接頭具有防滲漏性能好、連接可靠、抗剪和抗彎強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn).但是在復(fù)雜地質(zhì)條件下,端部焊接工字鋼接頭的鋼筋籠越長,其在下放過程中越容易出現(xiàn)卡籠現(xiàn)象,地下連續(xù)墻質(zhì)量受到施工及吊裝的影響也越大,且極易引起嚴(yán)重的質(zhì)量和安全事故.

鑒于以上問題,南京地區(qū)在工程實(shí)踐中以工字鋼接頭為基礎(chǔ)提出了新型Ⅱ型地下連續(xù)墻接頭,此接頭在翼緣之間設(shè)置兩道腹板,中間澆注混凝土,并且先于槽段施工,Ⅱ型接頭和地下連續(xù)墻槽段可以實(shí)現(xiàn)流水作業(yè),從而提高施工效率;同時地下連續(xù)墻的槽段可以全部按照閉合幅施工.該接頭不僅具有工字鋼接頭的優(yōu)點(diǎn),而且在一定程度上克服了工字鋼接頭中鋼筋籠卡籠、垂直度難以保證等施工難題.

目前對Ⅱ型地下連續(xù)墻接頭的研究情況未見報道,其在施工過程中的力學(xué)性能還沒有經(jīng)過系統(tǒng)研究,實(shí)際工程中主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用.本文主要對Ⅱ型地下連續(xù)墻接頭在地下連續(xù)墻施工階段的受力和變形進(jìn)行理論分析并給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)公式,通過一個實(shí)際工程中接頭力學(xué)性能的數(shù)值解驗(yàn)證了該計(jì)算方法的正確性,并通過分析上端2種約束形式對接頭力學(xué)性能的影響,給出了接頭上端約束形式選用的建議.

1Ⅱ型地下連續(xù)墻接頭的力學(xué)性能

1.1　Ⅱ型接頭內(nèi)力分析

Ⅱ型地下連續(xù)墻接頭截面如圖1所示[8].Ⅱ型接頭在施工過程中,受到泥漿或者混凝土側(cè)壓力的作用始終與土體處于緊密接觸狀態(tài),本文依據(jù)等值梁法及極限平衡理論對Ⅱ型接頭在地下連續(xù)墻施工過程中的受力性能進(jìn)行分析,分析中假定接頭抗力為土極限狀態(tài)下的土壓力.

Ⅱ型接頭是在超深地下連續(xù)墻施工中提出的,如圖2(a)所示,底部嵌巖,樁身長度Z往往要比嵌固部分長度Z0長很多.該接頭先于地下連續(xù)墻槽段施工,接頭施工完成后,回填兩側(cè)填土至導(dǎo)墻頂.地下連續(xù)墻槽段施工時,在泥漿護(hù)壁下進(jìn)行接頭一側(cè)槽段的施工,考慮到接頭同時受到泥漿或混凝土側(cè)壓力和土壓力的共同作用,且接頭受到端部約束.綜上分析,對開挖槽段底部以上部分隔離體按圖2(b)、(c)模型進(jìn)行力學(xué)分析.分析時假定隔離體上、下端水平位移為0,下端約束條件近似視為剛接約束.在分析中,所述接頭均指隔離體.

(a) 連續(xù)墻

(b) Ⅱ型接頭

(a) 結(jié)構(gòu)分析

(b) 接頭水平向受力

(c) 接頭力學(xué)計(jì)算簡圖

受力分析時,接頭底部按剛接約束考慮,上端的約束形式可以根據(jù)接頭上端固定于導(dǎo)墻的情況分為以下2種約束形式:① 鉸接約束.此時接頭上端與導(dǎo)墻約束部分僅能發(fā)生轉(zhuǎn)動而無位移,可看作鉸接約束.② 剛接約束.此時接頭上端與導(dǎo)墻約束部分不但不能發(fā)生位移,且其轉(zhuǎn)動也受到限制,故可看作剛接約束.剛接約束可以通過增設(shè)Ⅱ型接頭翼緣內(nèi)部多排螺栓加強(qiáng)其與導(dǎo)墻連接及加強(qiáng)接頭露出導(dǎo)墻部位約束來實(shí)現(xiàn).

根據(jù)接頭上部不同約束形式,可以將接頭約束形式分為上端鉸接、下端剛接約束和上、下端均為剛接約束2種.接頭內(nèi)力隨深度的表達(dá)式為

i≥2,z≥zi-1

(1)

(2)

根據(jù)式(1)、(2)可知,若要了解其內(nèi)力分布情況,則需要已知F0,M0.接頭上端的2種約束形式具體分析情況如下.

1) 上端鉸接約束形式

以接頭z位置上部隔離體作為參考,根據(jù)力法原理有

(3)

(4)

通過以上分析,得到深度z處接頭彎矩Mz和剪力FQ,z分別為

(5)

(6)

2)上端剛接約束形式

根據(jù)力法原理有

(7)

(8)

(9)

則上端為剛接約束時,深度z處接頭彎矩Mz和剪力FQ,z分別為

(10)

(11)

1.2?、蛐徒宇^變形分析

接頭撓度可以根據(jù)下式得出,其中撓度以向開挖槽段方向變形為正：

(12)

(13)

結(jié)合式(12),接頭撓度的計(jì)算公式為

(14)

2有限單元法分析

2.1　工程概況

圖3是南京河西地區(qū)某基坑工程項(xiàng)目平面示意圖.該基坑南北向長130 m,東西向長140 m,呈不規(guī)則方形,周長545 m,采用鉆孔樁筏基礎(chǔ),基坑面積18 220 m2;基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在南、西、北側(cè)采用1 m厚“兩墻合一”地下連續(xù)墻,地下連續(xù)墻分4種類型的槽段,共63幅,地下連續(xù)墻平均深度為60 m.槽段之間采用新型Ⅱ型地下連續(xù)墻接頭連接.

圖3　基坑平面示意圖

2.2　有限元分析模型

本文選擇一幅地下連續(xù)墻槽段進(jìn)行模擬研究.模型尺寸為:土體長度l=100 m,寬度b=50 m,深度h=100 m;開挖槽段寬度為1 m,深度為60 m,接頭凈距為6 m,接頭尺寸見圖4(a),模型沿槽段寬度方向?qū)ΨQ建模;模型中單元類型均為C3D8六面體單元.接頭與土體間通過接觸連接,其正應(yīng)力模型選用硬接觸模型,切應(yīng)力模型選用罰函數(shù)接觸模型,摩擦系數(shù)統(tǒng)一取為0.3.計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖4所示,共114 568個單元網(wǎng)格,136 029個單元節(jié)點(diǎn). 土體本構(gòu)模型選用經(jīng)典的 Mohr-Coulomb

(a) 整體網(wǎng)格劃分(單位：mm)　　　　(b) 豎向網(wǎng)格劃分

理想彈塑性模型,接頭由Q235型鋼和強(qiáng)度等級為C40的混凝土制成.鋼材密度為7 850 kg/m3,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.23,運(yùn)用雙折線模型;混凝土密度為2 500 kg/m3,彈性模量為32.5 GPa,泊松比為0.2,運(yùn)用線彈性模型.

模型中的巖土力學(xué)參數(shù)見表1.

表1　巖土力學(xué)參數(shù)

2.3　地下連續(xù)墻接頭施工模擬

ABAQUS可以模擬多種施工工況,但對于一些施工工序,如排渣、清孔等仍無法實(shí)現(xiàn).本文主要分析接頭在槽段開挖過程中的受力性能.根據(jù)文獻(xiàn)[9-13]對地下連續(xù)墻槽段開挖施工過程的分析,考慮到槽段開挖階段對地下連續(xù)墻接頭力學(xué)性能的影響是研究的重點(diǎn),本文研究的接頭施工工序?yàn)?① 接頭施工;② 泥漿護(hù)壁下的槽段開挖.開挖過程中將泥漿壓力簡化為靜水壓力.泥漿壓力σh=γsz,其中,γs(10.7 kN/m3)為泥漿重度.

3數(shù)據(jù)分析與討論

根據(jù)分析,將地下連續(xù)墻接頭上端鉸接與上端剛接情況下內(nèi)力和變形理論計(jì)算值與有限元模擬值進(jìn)行對比,結(jié)果如圖5～圖7所示.用式(5)、(6)、(10)、(11)、(14)計(jì)算接頭的內(nèi)力和變形值時,為了方便計(jì)算可以根據(jù)剛度等效原則將接頭截面形狀簡化為矩形或圓形.

如圖5(a)所示,上端鉸接接頭彎矩的計(jì)算值與模擬值均呈先逐漸增大后逐漸減小的趨勢,其中模擬值略大于計(jì)算值,反彎點(diǎn)深度計(jì)算值(-46.5 m)與模擬值(-49.5 m)比較接近;如圖5(b)所示,上端剛接接頭頂部彎矩為負(fù)值,此時,反彎點(diǎn)深度計(jì)算值與模擬值分別為-48.0和-50.0 m,相差4%.彎矩最大值及反彎點(diǎn)深度隨接頭上部施加轉(zhuǎn)動約束呈現(xiàn)下移趨勢.以計(jì)算值為例,上端鉸接和上端剛接的彎矩最大值深度及反彎點(diǎn)對應(yīng)的深度分別為-26.0，-46.5m(鉸接)和-32.0，-48.0 m(剛接).

如圖6(a)、(b)所示,上端鉸接、上端剛接2種約束形式的接頭剪力的絕對值都呈由大變小再由小變大的趨勢,剪力最大處均處于接頭的底端.上端鉸接的接頭底端剪力計(jì)算值和模擬值分別為-388.8和-375.8 kN;上端剛接的接頭底端剪力計(jì)算值和模擬值分別為-340.2和-333.1 kN.2種算法算得的接頭不同約束形式的剪力值非常接近,上端鉸接接頭2種算法相差3.45%,上端剛接接頭2種算法相差2.1%.

圖5　接頭彎矩對比圖

圖6　接頭剪力對比圖

如圖7(a)、(b)所示,由2種方法計(jì)算得到的接頭撓度變形曲線也較一致,其中接頭上端鉸接約束時,最大撓度深度計(jì)算值和模擬值分別為-34.0和-30.9 m,最大撓度位置偏差為9.1%,2種方法算得的最大撓度值分別為2.07和2.36 mm,最大撓度值偏差為12.3%;接頭上端剛接約束時,最大撓度深度計(jì)算值和模擬值分別為-38和-36.2 m,最大撓度位置偏差為4.74%,2種方法算得的最大撓度值分別為1.81和2.08 mm,最大撓度值偏差為12.98%.

圖7　接頭變形對比圖

由圖5～圖7中可以看出,計(jì)算值與模擬值內(nèi)力及變形分布規(guī)律吻合較好,模擬值略大于計(jì)算值,這是因?yàn)檫\(yùn)用有限單元法對接頭的力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算時,模型參數(shù)的選取及網(wǎng)格的劃分都會對分析結(jié)果產(chǎn)生一定的影響,所以模擬值與計(jì)算值之間存在一定的誤差.

綜合以上分析結(jié)果對接頭的設(shè)計(jì)方法及施工工藝給出如下建議:① 工程中接頭截面的設(shè)計(jì)是能滿足剛度要求的,設(shè)計(jì)時可以通過調(diào)整截面慣性矩來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求;② 上端剛接約束條件下接頭的內(nèi)力分布較均勻,接頭最大變形小,對材料的利用率較高,建議加強(qiáng)對接頭上端的約束,設(shè)計(jì)時可以通過增設(shè)Ⅱ型接頭翼緣內(nèi)部多排螺栓，加強(qiáng)其與導(dǎo)墻連接及加強(qiáng)接頭露出導(dǎo)墻部位約束來增強(qiáng)約束.

4結(jié)論

1) 運(yùn)用等值梁法對Ⅱ型接頭在地下連續(xù)墻槽段施工過程中的力學(xué)性能進(jìn)行分析,通過運(yùn)用極限平衡理論及公式推導(dǎo),提出了Ⅱ型地下連續(xù)墻接頭的內(nèi)力及變形計(jì)算公式.該計(jì)算公式可以給獨(dú)立于槽段施工的其他接頭提供參考.

2) 結(jié)合背景工程,建立了分析Ⅱ型地下連續(xù)墻接頭施工過程的三維有限元模型,通過有限單元法計(jì)算的理論值與公式計(jì)算的計(jì)算值進(jìn)行對比,表明計(jì)算值具有一定的可靠度,可為該類新型接頭施工過程中受力的變形控制提供理論計(jì)算依據(jù).

3) 通過對接頭上端2種約束形式進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)上端2種不同的約束形式對接頭的力學(xué)性能影響較小,但是相比于上端鉸接連接形式,采用上端剛接約束時接頭內(nèi)力分布更趨均勻,材料利用率更高.

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