扶壁裝配式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)研究★

徐志強(qiáng)，孫昌開(kāi)，周海兵

(湖南建工交通建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410029)

1 概述

單元分割[1-3]是扶壁式擋土墻實(shí)現(xiàn)裝配化的首要步驟，也是裝配式構(gòu)件預(yù)制的基礎(chǔ)。對(duì)扶壁式擋土墻進(jìn)行裝配式設(shè)計(jì)首先要保證裝配式擋土墻的支護(hù)效果和傳統(tǒng)整體式擋土墻的支護(hù)效果相當(dāng)，其次要保證裝配式擋土墻的結(jié)構(gòu)變形量與傳統(tǒng)整體式擋土墻的變形量相差不大。因此，分割單元的結(jié)構(gòu)形式[4-7]對(duì)扶壁裝配式擋土墻的支護(hù)效果有著重要的影響。

對(duì)傳統(tǒng)扶壁式擋土墻進(jìn)行面板受力分析時(shí)，考慮扶壁的作用，一般將面板看成三邊固定、一邊自由的雙向板進(jìn)行荷載計(jì)算。目前對(duì)扶壁式擋土墻[8-9]進(jìn)行裝配式設(shè)計(jì)時(shí)，常用的分割單元是在面板中間分割，扶壁放于分割單元中間，此時(shí)面板就變成兩垂直邊固定、兩垂直邊自由的支撐形式(如圖1所示)，在墻后土壓力的作用下，圖1中陰影區(qū)域易產(chǎn)生較大的撓曲變形。因此，本文對(duì)扶壁裝配式擋土墻進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)有限差分軟件FLAC3D對(duì)常用分割單元和優(yōu)化分割單元面板的受力特征和變形規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析[10-13]。

2 分割單元優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前常用的裝配單元分割方法[14-21]是將面板從中間分割，這種分割方法改變了傳統(tǒng)扶壁式面板的受力模式，為了使裝配式結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和整體現(xiàn)澆時(shí)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相似，圖2對(duì)分割單元的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)中，適當(dāng)減小扶壁厚度，在每個(gè)分割單元中設(shè)置兩個(gè)扶壁，將扶壁放置在分割單元面板兩端，以確保面板仍為三邊固定、一邊自由的雙向板。分割單元尺寸示意圖見(jiàn)圖3。

本文以5 m墻高為例，對(duì)常用分割單元及優(yōu)化分割單元面板的受力特征和變形規(guī)律進(jìn)行分析。

3 優(yōu)化分割單元面板結(jié)構(gòu)特性對(duì)比分析

3.1 模型建立與參數(shù)

圖4為建立的優(yōu)化分割單元分析模型，分割單元的各構(gòu)件尺寸見(jiàn)表1。計(jì)算荷載按JYG D30—2015公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求取10 kPa的均布荷載。模型的邊界條件為：除裝墻面及模型頂面為自由面外，其他模型邊界均設(shè)置為加點(diǎn)固定面。地基、回填土及墻體的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，表3。

表1 分割單元各構(gòu)件尺寸表 m

表2 地基及回填土的力學(xué)參數(shù)

表3 墻體的力學(xué)參數(shù)

3.2 優(yōu)化分割單元面板水平位移對(duì)比分析

在模型計(jì)算時(shí)，由于面板本身具有很大的剛度，因此相同截面高度處墻背及墻面的水平位移值分布相同，因此此次只對(duì)面板墻面處的水平位移進(jìn)行分析和監(jiān)測(cè)。由模型計(jì)算結(jié)果可知，常用分割單元將扶壁放置于分割單元面板的中間，在扶壁軸線處有很大的水平位移產(chǎn)生，并且產(chǎn)生最大水平位移的區(qū)域以扶壁軸線為中心向面板兩邊延伸，最大水平位移區(qū)域的形狀為“工”字形，最大值約為1.55 mm。在優(yōu)化分割單元中，由于扶壁放置于分割單元面板兩端，面板處產(chǎn)生最大水平位移的范圍明顯縮小(見(jiàn)圖5)。

為對(duì)常用及優(yōu)化分割單元面板水平位移進(jìn)行直觀的比較，模型計(jì)算時(shí)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式下面板的節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在線路方向(y軸)以及面板高度方向(z軸)上選取。整體而言，兩種結(jié)構(gòu)形式下，面板水平位移沿面板高度均呈現(xiàn)上大下小的分布模式，但二者又有不同之處，對(duì)優(yōu)化分割單元而言，面板水平位移自面板底部向上逐漸增大，水平位移在7/9墻高處出現(xiàn)極值點(diǎn)。而對(duì)常用分割單元而言，在1/3～8/9面板高度之間，面板的水平位移值變化不大，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的位移極值點(diǎn)。分割單元水平位移曲線見(jiàn)圖6。

3.3 優(yōu)化分割單元面板水平應(yīng)力對(duì)比分析

圖7為常用及優(yōu)化分割單元面板面?zhèn)人綉?yīng)力云圖。由模型計(jì)算結(jié)果可知，無(wú)論是常用分割單元還是優(yōu)化分割單元，面板面?zhèn)壤?、壓?yīng)力區(qū)所處的位置幾乎一致，壓應(yīng)力區(qū)位于面板上方，最大拉應(yīng)力區(qū)位于面板下方，此處為填土埋深處。就面板整體而言，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，優(yōu)化分割單元面板面?zhèn)鹊淖畲笏嚼瓚?yīng)力比常用分割單元面板面?zhèn)鹊淖畲笏嚼瓚?yīng)力小。

為對(duì)常用及優(yōu)化分割單元面板水平應(yīng)力進(jìn)行直觀的比較，模型計(jì)算時(shí)同樣對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式下面板的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取與面板位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)一致。兩種結(jié)構(gòu)形式下，面板面?zhèn)人綉?yīng)力沿面板高度的分布模式一致，最大拉應(yīng)力值均產(chǎn)生于2/9墻高處。分割單元面板面?zhèn)人綉?yīng)力曲線見(jiàn)圖8。

同圖9常用及優(yōu)化分割單元面板背側(cè)水平應(yīng)力云圖相比，兩種結(jié)構(gòu)形式下面板背側(cè)水平應(yīng)力的分布模式不同，對(duì)常用分割單元而言，面板上部壓應(yīng)力區(qū)形狀不規(guī)則，由于扶壁位于面板中間，兩側(cè)壓應(yīng)力區(qū)范圍比較大。對(duì)優(yōu)化分割單元而言，由于扶壁放置于面板兩側(cè)，對(duì)面板兩側(cè)有橫向約束作用，面板上部壓應(yīng)力區(qū)形狀比較規(guī)則，另外在優(yōu)化分割單元面板北側(cè)下部有小范圍的大拉應(yīng)力區(qū)，大拉應(yīng)力區(qū)位于扶壁軸線位置下方。

圖10為常用及優(yōu)化分割單元面板背側(cè)的水平應(yīng)力曲線。同圖8面板面?zhèn)人綉?yīng)力曲線相比，兩種結(jié)構(gòu)形式下，面板背側(cè)水平應(yīng)力沿墻高方向(z軸)有幾個(gè)明顯的峰值點(diǎn)，其中在z=4.5 m，z=3 m處為壓應(yīng)力峰值點(diǎn)，在z=4 m，z=1 m處為拉應(yīng)力峰值點(diǎn)。

綜合考慮兩種結(jié)構(gòu)形式墻面及墻背的水平應(yīng)力，由于面板的最大拉應(yīng)力平均約為最大壓應(yīng)力的10倍～30倍，可見(jiàn)面板的破壞荷載主要為水平拉應(yīng)力，由上面分析可知，不論是面板面?zhèn)冗€是面板背側(cè)，無(wú)論是面板中部位置還是面板兩端位置，常用分割單元面板的水平拉應(yīng)力均大于優(yōu)化分割單元的水平拉應(yīng)力，由此可見(jiàn)，分割單元的結(jié)構(gòu)形式對(duì)面板的受力及變形影響很大。

3.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)擋土墻整體支護(hù)效果對(duì)比分析

3.4.1 模型建立

為探討優(yōu)化結(jié)構(gòu)擋土墻的整體支護(hù)效果，建立了優(yōu)化結(jié)構(gòu)擋土墻的整體支護(hù)模型。該模型同樣含有三個(gè)分割單元，每個(gè)分割單元的尺寸同圖4(b)中的尺寸一致。在模型建立時(shí)，由于優(yōu)化后裝配式擋土墻沿線路方向拼接施工時(shí)，同樣需要采用C30細(xì)石混凝土對(duì)各單元的面板進(jìn)行連接，兩個(gè)分割單元中扶壁采用螺栓進(jìn)行連接，面板處相當(dāng)于鉸接作用，扶壁處相當(dāng)于剛接作用。

因?yàn)闄n案的類(lèi)型具有多樣性，不同結(jié)構(gòu)的檔案具有不同類(lèi)型的特征信息，同時(shí)信息特征提取方式也有較大差異。筆者認(rèn)為按照檔案特征提取方式對(duì)檔案進(jìn)行分類(lèi)則可以將檔案劃分為文本類(lèi)檔案和圖片類(lèi)檔案兩大類(lèi)，其中音頻類(lèi)檔案通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)預(yù)處理之后特征提取方式同文本類(lèi)檔案，視頻類(lèi)檔案通過(guò)拆幀處理之后特征提取方式同圖片類(lèi)檔案。

3.4.2 整體支護(hù)效果分析

圖11為優(yōu)化結(jié)構(gòu)擋土墻水平位移云圖。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，裝配式擋土墻的水平位移分布模式有所變化，不僅在面板上部有大水平位移產(chǎn)生，面板中部、扶壁中上部同樣產(chǎn)生有較大的水平位移。另外，由于在采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)擋土墻進(jìn)行施工時(shí)，增加了扶壁間的連接作用，線路方向上(y方向)各分割單元之間的整體作用更強(qiáng)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，相同條件下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)擋土墻的最大水平位移約為1.3 mm。可見(jiàn)對(duì)裝配式擋土墻分割單元的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化后，相同條件下，擋土墻產(chǎn)生的最大水平位移明顯減小，這也說(shuō)明了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式更加合理。

圖12為優(yōu)化結(jié)構(gòu)擋土墻水平應(yīng)力云圖。由圖12可知，由于在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，扶壁位于面板兩端，對(duì)每個(gè)分割單元而言減小了面板的撓曲變形，同時(shí)增加了各個(gè)分割單元扶壁間的連接作用，因此在線路方向上優(yōu)化結(jié)構(gòu)擋土墻水平應(yīng)力的分布也有一定的連貫性。

綜合考慮上面各種工況的分析結(jié)果可知，對(duì)裝配式擋土墻分割單元的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化后，雖然優(yōu)化結(jié)構(gòu)擋土墻的最大水平應(yīng)力及水平位移仍比整體現(xiàn)澆式的應(yīng)力及位移值大，但和結(jié)構(gòu)優(yōu)化前裝配式擋土墻相比，最大水平應(yīng)力及位移值明顯減小，在對(duì)扶壁式擋土墻進(jìn)行裝配式設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化分割單元的結(jié)構(gòu)形式更加合理。表4為優(yōu)化前后裝配式擋土墻整體支護(hù)效果對(duì)比分析表。

表4 分析模型整體支護(hù)效果對(duì)比分析匯總表

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合有限差分軟件FLAC3D，對(duì)常用分割單元和優(yōu)化分割單元面板的受力特征與變形規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析，主要結(jié)論如下：

1)在同樣荷載及邊界條件下，常用分割單元面板的最大水平位移約為1.55 mm，優(yōu)化分割單元面板的最大水平位移約為1.27 mm，無(wú)論是面板中部還是面板兩端，對(duì)分割單元的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化后，面板的水平位移均有明顯減小。

2)對(duì)優(yōu)化分割單元而言，面板水平位移自面板底部向上逐漸增大，水平位移在7/9墻高處出現(xiàn)極值點(diǎn)。而對(duì)常用分割單元而言，在1/3～8/9面板高度之間，面板的水平位移值變化不大，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的位移極值點(diǎn)。

3)兩種結(jié)構(gòu)形式下，面板面?zhèn)人綉?yīng)力沿面板高度的分布模式一致，最大拉應(yīng)力值均產(chǎn)生于2/9墻高處；同面板面?zhèn)人綉?yīng)力曲線相比，面板背側(cè)水平應(yīng)力沿墻高方向(z軸)有幾個(gè)明顯的峰值點(diǎn)，其中在z=45 m,z=3 m處為壓應(yīng)力峰值點(diǎn)，在z=4 m,z=1 m處為拉應(yīng)力峰值點(diǎn)。

4)在優(yōu)化分割單元中，面板的最大水平位移及最大水平拉應(yīng)力均小于常用分割單元面板的位移及應(yīng)力值，可見(jiàn)，分割單元的結(jié)構(gòu)形式對(duì)面板的受力及變形影響很大。

5)對(duì)裝配式擋土墻分割單元的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化后，雖然優(yōu)化結(jié)構(gòu)擋土墻的最大水平應(yīng)力及水平位移仍比整體現(xiàn)澆式的應(yīng)力及位移值大，但和結(jié)構(gòu)優(yōu)化前裝配式擋土墻相比，最大水平應(yīng)力及位移值明顯減小，可見(jiàn)，在對(duì)扶壁式擋土墻進(jìn)行裝配式設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化分割單元的結(jié)構(gòu)形式更加合理。