支护结构内力（精选7篇）
支护结构内力 篇1
随着国家经济技术的发展, 城市地铁已经成为城市建设中必不可或缺的一部分。而对于地铁车站深基坑来说, 支护结构尤为重要。近年来由于支护结构失效造成的人员伤亡财产损失的事故在全国各地频发, 引起了社会的高度关注。排桩加内支撑在基坑支护结构中的应用频繁, 本文主要从单桩加钢管内支撑支护结构形式入手, 进行排桩和钢支撑内力以及周围土体沉降研究[1]。
近年来, 国内外专家对深基坑支护形式的研究比较多。崔宏环等[2]用ABAQUS对深基坑开挖中双排桩支护进行了数值分析。李大勇等[3]运用三维有限元法对内撑式基坑开挖过程中内撑内力进行了分析。何文飞[4]对内支撑密排桩支护结构进行了优化设计。本文通过三维有限元法重点研究排桩加内撑式地铁车站深基坑开挖过程中支护结构的内力, 为地铁车站及类似深基坑设计和施工提供重要的依据。
1 建立数值有限元分析模型
取基坑开挖深度的3~4倍范围作为模型计算区域, 因此, 模型基坑的范围为x方向70m, y方向40m, z方向-30m。
在模型中, 本构关系采用Column-More屈服准则, 模型底部设置成固定边界, 左、右面定义为滑移边界。模型只施加重力, 土体采用3D—solid实体单元。具体土体参数见表1, 围护结构参数见表2, 基坑施工工况见表3。
建立的有限元模型如图1所示, 基坑只选取了地铁车站的一部分, 其平面形状为变截面 (两个长方形) , 其中小的长方形尺寸为20×16, 大的长方形尺寸为40×22。为了计算精确, 基坑内部划分的单元网格较小。
2 支护结构内力分析
2.1 钢支撑轴力分析
由图2~4可见, 在施工过程中, 钢支撑有如下的变化规律:
1) 第一道和第二道钢支撑的轴力随着开挖步骤的增加在逐渐增大, 其原因是由于在基坑开挖过程中土体卸载, 进而通过支护结构与土体之间的应力转移, 导致了钢支撑更多地分担了水平荷载;
2) 每层钢支撑轴力都满足设计要求, 其中第一层钢支撑最大轴力-1710.21k N, 第二层最大轴力-1732.61k N, 第三层最大轴力-1823.58k N, 都满足截面的抗压强度和稳定承载力;
3) 在每层钢支撑中其变截面处的支撑轴力最大。第一层和第二层的钢支撑大部分没有充分发挥作用, 为了不必要浪费, 可以只在变截面处设置较大直径的钢支撑。
2.2 桩弯矩分析
图5是在所有桩中随机挑选的一根桩, 并依据基坑开挖顺序提取桩的弯矩得到以下结论:
1) 随着基坑开挖深度的增加桩的弯矩也逐渐增大。在第二次开挖结束后, 在桩16m处弯矩最大, 而在后两次开挖完成后, 弯矩与之前开挖完成后的变化不同, 弯矩变化幅度比较大, 其中最大弯矩发生在桩的中下部, 导致其弯矩发生变化的原因是由于在第二次开挖完成后增加了第二道钢支撑和第三次开挖完成后增加了第三道钢支撑;
2) 在最后一次开挖完成后, 桩的底部弯矩最大, 其值为-624.1589k N/m2满足桩的最大弯矩设计要求, 并且相对较小。
2.3 桩身的水平位移
图6是在所有桩中随机挑选的一根桩, 并依据开挖顺序提取桩的位移进而得到以下结论:
1) 在前两次开挖完成后, 桩的顶部发生了较大的水平位移, 而桩的底部位移为零。在第三次和第四次开挖完成后, 桩的中上部水平位移比较大, 而在桩的中部其水平位移发生了拐点, 进而弯矩减小, 究其原因是由于第二道钢支撑和第三道钢支撑的增加使桩的水平位移减小了;
2) 在第四次开挖完成后, 在桩的水平位移达到最大-16.38mm, 其位置为桩身长12m处的位置, 满足设计要求, 并且相对比较保守。
3 结论
分析了采用排桩加内撑式地铁车站深基坑工程中施工过程对支护结构内力的影响, 并得到以下结论:
1) 在施工过程中, 在每层钢支撑中其变截面处的钢支撑轴力最大;
2) 在施工过程中, 第二道和第三道支撑的增加对桩身弯矩影响很大, 并且在最后一次开挖完成后, 桩的最大弯矩发生在桩的底部;
3) 在最后一次开挖完成后, 桩的最大水平位移发生在桩身长2/3处。第二道和第三道钢撑的增加对桩身水平位移影响很大, 会使桩的中部水平位移产生拐点, 进而弯矩逐渐减小;
4) 在实际工程中, 设计相对比较保守, 可以适当的调整系数;
5) 通过分析研究施工过程中支护结构的内力, 得到了桩和内撑的变形规律, 这对今后相关深基坑设计和施工具有重要的指导意义。
摘要：以某地铁车站基坑为背景, 对该基坑开挖过程中支护结构的内力以及周围土体进行了全面分析。基坑采用排桩加内撑支护结构进行支护, 考虑了周围土体、围护结构的相互作用, 借助有限元软件midas/GTS建立了地铁车站基坑三维有限元分析模型。通过有限元法分析, 表明, 施工开挖步骤对基坑支护结构的内力以及位移有显著影响, 进而总结其变形规律, 为地铁车站及类似深基坑设计和施工提供重要的依据。
关键词：地铁车站,有限元法,排桩加内撑,内力分析,midas
参考文献
[1]龚晓南, 高有潮.深基坑工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 1998:187-188.
[2]崔宏环, 张立群, 赵国景.深基坑开挖中双排桩支护的的三维有限元模拟[J].岩土力学, 2006, 27 (4) :211-213.
[3]李大勇, 吕爱钟, 曾庆军.内撑式基坑工程周围地下的性状分析[J].岩石力学与工程学报, 2004, 23 (4) :682-687.
[4]何文飞.内支撑密排桩支护结构优化设计[J].山西建筑, 2013, 39 (16) :291-293.
支护结构内力 篇2
国外对基坑支护结构研究有较早的历史,早在20世纪中期,Terzaghi和Peck根据地铁支护结构的实测资料,提出著名的Terzaghi-Peck表观土压力理论[1—3],这个理论后来被很多国家的基坑支护设计广泛采用。而在中国,基坑工程从20世纪80年代开始兴起,由于高层建筑地下室建设和地铁工程建设的需要,出现大量的基坑工程。基坑工程本身涉及岩土和结构工程,且在当时,在很多情况下,基坑支护结构属于临时工程,最终没有得到重视,基坑支护结构的受力计算和理论研究一直没有形成系统。在20世纪末期,随着中国的城市化进程飞速发展,掀起基坑工程热潮。随着基坑开挖深度的增加,以及工程事故的发生,基坑支护结构研究才引起建筑工程界的重视。之后,深基坑支护结构研究得到长足的发展和重视。
开挖深度大于或等于4 m的基坑为深基坑,深基坑进一步划分为:稍深基坑(4 m≤H≤6 m)、中深基坑(6 m<H≤13 m)、颇深基坑(13 m<H≤18m)、甚深基坑(18 m<H≤23 m)、特深基坑(23 m<H≤30 m)和超深基坑(H>30 m)[4]。基坑支护是指用于支护垂直岩土坡的桩、墙及支撑或锚杆等组成的支护结构。
诸多学者对有关深基坑支护结构研究进展做了分析,如丁翠红[5]等对深基坑支护结构土压力分布规律及土压力计算方法研究进展进行综述,并分析其中存在问题及今后研究方向;刘艳军[6]等介绍深基坑变形控制的国内外研究现状,阐述了基坑变形机理,分析和探讨了基坑变形设计计算方法、基坑变形预测方法和基坑工程施工监测,对目前深基坑变形控制存在的一些主要问题和发展趋势进行了探讨;范建[7]等则对基坑变形预测方法做了概述。最近十年,深基坑支护结构研究有了长足的发展,但未见文献分析目前深基坑支护结构内力和变形研究概况,本文将从以下三个方面开展此项工作,并分析当前研究存在的问题和未来研究方向。
1 支护结构与岩土体的相互作用
深基坑开挖及支护不仅涉及岩土力学中典型的变形、强度和稳定性问题,还涉及到支护结构与岩土体的相互作用问题[8—12]。支护结构与岩土体的相互作用是影响支护结构内力与变形的重要因素。因此,深基坑支护结构计算要考虑基坑周边一定范围内岩土体与支护结构的协同作用。
深基坑工程是一门系统工程,支护结构类型多,目前主要有钻孔灌注桩、土钉强、钢板桩和地下连接墙等[13]。不同支护结构体系与岩土体的相互作用机制不同。因此,本文从以下三个方面阐述支护结构与岩土体相互作用。
1.1 土压力
土压力问题是土与结构物相互作用的结果,是岩土工程的基本问题,也是岩土工程设计中首要确定的内容。传统的支护结构设计理论仅考虑三种极限状态下的土压力,即主动、被动和静止土压力,这些古典土压力理论的完全弹性、平面滑裂面和墙背光滑等假设导致计算结果与实际情况相差甚远[14]。认识传统土压力理论的缺陷后,很多学者对土压力计算方法进行了改进:用极限分析方法研究古典Coulomb直线破坏机理问题[15,16];考虑土拱效应的土压力理论研究[17];考虑开挖卸荷影响的土压力[18、19]和考虑墙面摩擦效应的土压力研究[20];考虑多种影响因素的土压力研究[21];从地基强度理论方面研究土压力系数[22];考虑水压力的土压力以及关于水土压力分算与合算问题研究[23—25];从概率角度研究岩土体参数对土压力的影响[26];被动土压力理论研究[27,28]等等。支护结构设计的静力平衡法、等值梁法和杆系有限元数值模拟方法都是将土压力视为外力形式作用于支护结构[29]。
1.2 接触力学分析方法
支护结构与岩土体的接触面存在着非连续性,而在实际工程中往往简化为连续介质问题,这种简化处理必然带来计算误差。目前接触行为的分析方法主要有两种:一是经典的接触力学分析方法,二是数值分析方法。在接触问题研究的初始阶段,仅局限于接触面规则刚体之间的弹性接触,应用范围非常有限。Hertz于1881年提出经典的Hertz弹性接触理论。在该理论的基础上,许多学者系统研究了不同受力条件和不同几何形状的接触问题[30,31]。Boussinesq给出了光滑刚体与均匀各向同性弹性半空间表面接触的应力解,还根据势能原理导出压凹回转体的轴线与弹性半空间变形前的边界正交时轴对称问题的解答[32、33]。这个时期弹性接触研究存在大量假设:如接触刚体之间不发生刚体运动;接触物理的变形是小变形,接触点可以预先确定;应力应变关系为线性;接触表面光滑等。这些假设导致理论研究与实际情况仍存在很大差异。Gladwell于1980年发表文章主要考虑集中的或大范围的无摩擦接触和粘着接触[34]。Johnson于1985年在专著中讨论弹塑性体和黏弹性接触问题。由于解析方法研究接触问题的复杂性,一些复杂接触问题始终没有得到解决。
1.3 数值分析方法
随着计算机技术的高速发展,20世纪60年代以后出现了以有限元为代表的数值技术分析方法,为建立复杂接触力学模型研究奠定基础,并使接触问题线性研究上升到高度非线性研究。目前,求解这类接触问题主要有以下三种方法:(1)直接法;(2)接触力学方法;(3)接触面单元法。
直接法又称为数学规划法,是基于势能或余能原理,利用变分不等式等现代数学方法将接触问题转化为一个约束二次规划问题进行求解[35]。接触力学方法是通过对接触边界约束问题的适当处理,将约束优化问题转化为无约束优化问题求解。根据无约束优化方法的不同,一般分为Lagrange乘子法和罚函数法,Lagrange乘子法方法容易出现病态,罚函数法只能近似满足接触边界条件,为此发展了修正的Lagrange乘子法[36]。接触面单元法在接触问题的接触边界上引入接触面单元,通过增量和迭代调整单元本构模型中的参数,模拟其应力应变关系。长期以来,诸多学者提出各种接触面本构模型和计算模型[37—43]。目前,常用的接触面单元有两节点链杆单元,无厚度接触面单元(Goodman单元、无厚度等参接触面单元),有厚度薄层单元(Desai薄层单元)和摩擦接触单元。
2 支护结构内力与变形计算方法
深基坑支护结构内力与变形是支护结构与周围岩土体相互作用的结果,支护结构变形是基坑变形的主要组成部分。一般情况下,深基坑支护结构可简化为一个受侧向土压力作用的受力结构,目前对这种结构主要有三种基本算法:极限平衡法、弹性地基梁法和有限元方法。
2.1 极限平衡法
极限平衡法是基坑支护结构设计较早使用的方法,由于计算简单,可以手算,目前仍有采用[44,45]。极限平衡法主要考虑力的平衡,取单位宽度受侧力荷载作用的梁系进行计算,如等值梁法、静力平衡法、二分之一分割法以及刚性支承连续梁法等。国内较多采用等值梁法和静力平衡法。极限平衡法考虑的土压力既有Terzaghi-Peck的经验表观土压力,也有经典的理论土压力方法,如郎肯土压力法等。
2.2 弹性地基梁法
弹性地基梁法针对极限平衡法中挡墙内侧坑地被动土压力计算问题提出改进。其概念是由于挡土墙位移有控制要求,内侧土体不可能达到完全的被动状态,因此计算中引用承受水平荷载桩的横向抗力的概念,将外侧土压力作为施加在墙体上的水平荷载[46]。土压力一般采用经典的土压力理论,如郎肯土压力理论或库仑土压力理论。基坑面以上的支撑可看作为以弹性支点,基坑以下的土层可用一系列的土弹簧的作用替代(图1)。把支护结构看作一个弹性支承的地基梁,对弹性地基梁的解法通常采用解析法、结构力学方法和有限元数值法等。
弹性地基梁法计算简单,计算方法程序化实现容易,并可通过不同工况的前后衔接模拟基坑的开挖过程,因此成为现行规范的推荐方法。
2.3 有限元方法
基坑工程是一种系统工程,常规分析方法很难反映诸多因素的综合效应。近年来发展的有限元方法,可以分析深基坑的整体性状,即把包括地基土在内的整个深基坑作为一个空间结构体系,考虑开挖过程、支护结构与岩土体共同作用、渗流、时间等因素的影响,综合分析支护结构的内力和变形。有限元方法把墙、土都划分为单元,土体可以采用相应的本构模型。模拟可以采用平面有限元,也可以采用空间有限元。
平面有限元分为竖直面分析和水平面分析。竖直面分析是将基坑开挖影响范围内的各构件离散为有限元单元,根据施工工况逐次模拟地基的应力、应变和位移状态,求解过程与一般弹性力学有限元方法类似;水平面分析的主要对象是水平的撑锚体系,将竖直面分析求得的支撑反力作为外荷载,并利用支点位移作为边界条件进行计算。在二维杆系数值模拟研究方面,郑刚[47]、杨雪强[48]等做了一些工作。
空间有限元也称为三维有限元。随着人们对基坑空间效应认识的不断深入,基坑工程的三维空间性质日益得到人们的关注[49]。刘继国[50]等用FLAC3D三维快速拉格朗日差分程序,对武汉长江过江隧道武昌明挖暗埋段深基坑的开挖与支护进行了数值模拟。王晓伟[51]等借助FLAC3D三维有限差分软件对悬臂地下连续墙支护结构变形坑角效应及其主要影响因素进行了研究,给出了支护结构变形坑角效应影响系数和坑角效应影响范围,提出了考虑深基坑坑角效应的支护结构变形计算方法。宋二祥[52]等采用ANSYS对润扬长江大桥北锚碇基础施工开挖中50 m特深基坑的三维非线性有限元分析。潘泓[53]等引入空间桩单元和空间曲梁单元,把深基坑支护结构中的环梁支护结构体系假设为带桩和环梁的空间框架,建立了简化的三维杆系有限元模型,并编制了相应的计算程序,并对变形分析。陈晓平[54]根据深基坑支护系统中支护桩—支撑—土的共同作用特征建立了三维杆系有限元分析模型,该模型不仅能够描述支护结构的空间效应和角效应,而且可以通过计算直接给出设计所需的信息,实例分析结果验证了模型的适用性和有效性。陆余年[55]等对上海软土地区长峰商城逆作法施工超大深基坑建立三维有限元分析模型,探讨支护结构变形规律及内力特征。
3 支护结构内力与变形监测
在深基坑开挖和基础施工期间,必须对支护结构进行内力和变形监测,以确保周围建筑物和施工的安全,也是优化支护结构设计的需要。因此,深基坑支护结构内力与变形监测一直是工程技术人员所关注的重要问题。秦俊生[56]等对北京亚奥国际广场深基坑支护结构内力进行监测。潘培强[57]对广州市轨道交通三号线客村站深基坑支护结构内力和变形进行监测,并根据监测结果优化设计方案。杨圣春[58]等对深圳地铁前海湾地区交通枢纽工程深基坑支护结构水平位移进行监测。谢军[59]等对广州珠江黄埔大桥嵌岩地下连续墙支护结构施工过程内力和变形进行监测。朱彦鹏[60]等对郑州楷林大厦深基坑桩锚与土钉墙联合支护结构的变形进行监测分析。姜晨光[61]等介绍深基坑桩锚支护结构变形监测方法和影响变形的因素。马莉[62]等介绍自由设站监测深基坑支护结构变形的新方法。
4 讨论与分析
在深基坑开挖过程中,支护结构体系不断变化,每次开挖时既有土体被挖掉,也可能有新的构件施加,是一类典型的变形体系施工力学问题。仅仅考虑最后一个状态与考虑逐次开挖不断迭加各次开挖的成果进行分析所得的结果是完全不同的[63]。因此,本文讨论的三个方面是相互联系的。深基坑开挖与支护过程是一个动态系统工程,岩土体开挖过程和支护结构添加过程影响支护结构与岩土体之间的相互作用,这对相互作用改变必然影响支护结构本身的内力和变形特征,对前一个开挖—支护工况支护结构内力和变形行为监测有利于计算下一个开挖—支护工况支护结构内力和变形特征,可进一步优化设计方案。
分析表明,深基坑开挖—支护过程是一个动态的过程,但目前仍盛行的经典土压力理论的一些基本假设从根本上限制研究支护结构与岩土体的相互作用机制。如郎肯土压力理论假设墙背直立、光滑、忽略了土与支护结构的相互作用,库伦土压力理论虽然考虑了土与墙背的相互作用,但只能应用于无黏性土,而且这两个理论要求都是在极限平衡状态下的土压力,与实际情况不相符合。动态施工过程必然引起土压力动态调整,这种复杂的相互作用过程,用经典土压力理论去解释已不再适用。深基坑支护结构设计计算中,常常要把土压力简化为线性分布或集中力,而实际土压力应该是非线性分布而且实时变化的[52,64,65]。土压力是作用于支护接结构上的主要荷载,但经典土压力理论应用于支护结构设计计算存在很多不足之处,如何合理地计算土压力是基坑设计面临的关键问题。支护结构与岩土体相互接触问题在数学和物理上的双重复杂性,使得接触问题研究多局限于简单工况。接触问题的非线性性质和摩擦问题的耗散性质决定在数值方面和理论方面实现三维非线性接触仍是很困难的。
极限平衡法把超静定问题转化为静定问题求解,没有考虑支护结构变形对土压力的影响。弹性地基梁法可以视为仅限平衡法的改进,但没有从根本上改变极限平衡法。上述两种方法都没有将支护结构和周围环境视为一个整体系统来研究,无法反映支护结构与岩土体相互作用,也无法考虑深基坑的空间效应。深基坑本身是一个具有长、宽、深尺寸的三维空间结构,因而其支护体系设计是一个复杂的三维空间受力问题。因此深基坑支护结构设计计算必须考虑支护结构与岩土体相互作用和空间效应[12,51,66—76]。空间有限元方法能模拟分析支护结构与岩土体相互作用和空间效应,但二维有限元不能充分体现支护结构的空间效应。三维有限元方法能分布模拟不同工况下支护结构与岩土体整个系统的应力场和变形场特征,根据这个工况整个系统应力场和变形场特征不断优化设计方案和施工方案等,确保整个基坑工程安全、合理、有效地进行。该方法要求根据监测结果不断反演支护结构和岩土体参数,为下一工况计算提供基础数据,但参数较复杂,受反演方法限制,参数难以获得,且计算工作量较大[77—79]。
深基坑支护结构变形和内力监测是确保基坑施工安全的重要措施,也是进行信息化设计和施工的前提。影响深基坑支护结构内力和变形的因素众多[61],必须对支护结构本身和相邻环境系统监测。目前一些监测方法不能全面、客观地反映结构的变形动态、无法准确地判断其未来的变形趋势,而且昂贵的测量仪器增加了监测成本[62]。根据监测结果反演出合理的支护结构和岩土体物理力学参数,减少因试样的选取或试验方法的差异而造成的误差,为更好地指导现场信息化施工做出贡献[80]。因参数众多,目前反演方程仍存在诸多不足之处[69]。
5 未来研究方向
根据以上分析,相应地提出以下三点未来研究方向。
(1)考虑深基坑支护结构与岩土体非线性相互作用,研究土压力非线性分布规律,探讨三维接触问题的非线性性质和摩擦问题的耗散性质。基坑工程是一项动态系统工程,支护与岩土体的接触问题是经典的非连续性接触问题。因此,必须考虑动态性和非线性,从理论和数值模拟方面研究相互作为问题、土压力分布规律和接触问题。
(2)考虑深基坑支护结构内力与变形时空效应,并将支护结构与周围一定范围岩土体视为一个系统,开展三维计算方法研究。随着城市化进程的飞速发展,空间利用程度较高,不同建筑密切相关,基坑工程要重视本基坑支护结构对相邻建筑的影响。因此,考虑支护结构空间效应,将支护结构与周围一定范围岩土体视为一个系统研究是深基坑支护结构设计计算的必然趋势。
(3)深基坑支护结构内力与变形三维系统监测方法和计算参数非线性反演方法研究。对深基坑支护结构内力与变形实时监测,及时捕捉大量的岩土体信息,并通过反演方法计算和修正计算参数,预测下个工况出现的新行为、新动态,为施工期间进行设计优化和合理组织施工提供可靠信息。低成本、简单高效、准确、对施工扰动小的三维实时监测能及时有效地监测出支护结构的三维动态,为支护结构安全提供可靠而详实的变形信息是未来深基坑的一个研究方向[81]。基于非线性系统科学理论,研究非线性反演方法是岩土工程领域的参数反分析的发展趋势。
摘要：深基坑支护结构内力与变形研究已经成为岩土工程研究中的一个新领域。介绍了深基坑支护结构内力与变形的国内外研究现状,阐述了支护结构与岩土体相互作用、支护结构内力与变形计算方法和支护结构内力与变形监测研究进展,对目前深基坑支护结构内力与变形研究存在的一些主要问题进行了探讨,并提出以后的发展方向。
索穹顶结构杆件内力分析 篇3
索穹顶结构是二十世纪八十年代美国工程师Geiger开发的一种实用性较强的大跨空间结构体系[1]。国内有很多学者对索穹顶结构进行研究, 但主要集中在施工控制、仿真模拟、模型试验研究等领域。但还缺乏对结构体系内部杆件施工偏差所造成变形受力的分析, 本文针对某省煤炭交易所工程对其施工的索穹顶结构各类别杆件进行内力分析, 确定各类别杆件受荷状态下内力变化趋势及结构整体的位移变形[2,3]。
1 工程概况
煤炭交易所屋顶采用肋环式圆形索穹顶结构, 跨度59.8m, 高6.5m, 四周设置3道环索、27道径向索, 索穹顶表面覆膜, 由外环梁、内拉力环、环索、脊索和支撑杆等组成, 采用材质为Q345B的碳钢拉索, 结构俯视图、剖面图如图1所示。
2 控制施工偏差及构件精度
索穹顶结构处于某种特定形态的情况下, 结构内各杆件之间内力关系具有唯一性, 与构件类型和张拉情况无关[4]。构件本身的精度误差会造成结构形态的改变, 形态改变导致结构内力变化, 这可能会对施工中造成潜在的安全隐患。因此索穹顶结构施工首先要控制施工偏差及构件精度, 将二者的误差控制在一个可承受范围内, 最大程度减少误差对结构造成的影响, 必要时需要对误差进行补偿。
3 误差对结构内力的影响
索穹顶结构的刚度和承载能力需要通过预应力张拉拉索获取, 张拉过程中拉索长度会随着所受内力增大而发生变化。结构中存在定长索, 若定长拉索耳板与周围结构安装位置出现偏差, 则结构实际预应力值较预应力设计值会有很大误差, 因此要采取合理方法最大程度上减小上述误差对结构产生的影响。与周围相连的长拉索耳板受等值的径向和环向施工偏差的影响, 径向偏差对结构预应力分布影响较大, 环向施工偏差对结构预应力影响较小, 因此需要采取措施控制拉索耳板径向施工偏差对结构预应力的影响。
索穹顶结构中杆件内力对偏差十分敏感, 5mm的偏差有时能够造成拉索内力5%以上的改变, 考虑到此类偏差不可避免, 需要采取措施最大程度减少偏差[5]。在拉索下料时, 加设外脊索和外斜索进行技术补偿, 外脊索和外斜索具有可调节长度的功能, 能够补偿内脊 (斜) 索、中脊 (斜) 索及径 (环) 向施工等造成的偏差。
4 有限元分析算例
简化模型:取步长h=0.001s, 阻尼系数为50, 采用有限元方法进行静力分析。每根杆件划分为一个单元, 按照等效荷载分布于节点处, 并保证结构体系平衡, 施加外荷载, 应用有限元程序监测节点运动情况。应用Matlab进行语言编程, 写入有限单元程序, 加入偏差补偿数据[6]。模型杆件采用Link8结构单元进行模拟, 该单元为实质杆件可承受拉压荷载, 拉索结构采用Link1结构单元, 该单元只能承受拉力, 得图2-图5。
由图2-图5显示, 荷载在0~0.68k N/m2之间, 索穹顶结构中环索的内力呈线性特性, 在0.68k N/m2之后, 脊索发生刚度退化, 其中脊索2发生非线性变化, 失去工作能力, 但结构并未失稳, 其环索、竖杆、斜索等构件受荷能力加大, 均发生非线性变化。图6显示, 荷载在0~0.68 k N/m2之间时, 杆件结构内力基本处于线性状态, 各类型杆件受力均匀, 结构整体不会出现大的位移变形, 处于弹性阶段。荷载超过0.68 k N/m2后, 由于脊索的刚度退化, 其它杆件受力突变, 这样容易杆件破坏, 造成结构失稳, 结构体节点位移同时发生变化, 造成局部节点位移偏大, 但对于结构整体而言, 可忽略不计[7]。
但结构在发生内力改变后造成结构位移变形有时会造成结构的振动效应, 为保证结构整体安全, 应加设撑杆, 提高结构的稳定性。
5 结论
本文针对索穹顶结构杆件受力特点进行模型简化, 结合实际工程算例, 应用Matlab编程写入有限元软件进行静力分析, 加入对施工偏差的补偿数据, 确定初始预应力后对索穹顶结构进行分析据, 结论表明各类杆件中脊索杆件率先开始刚度退化, 造成了一定程度的结构位移偏差, 但并没有造成结构失稳, 结构其他类型杆件承受了剩余荷载, 结构整体处于安全状态。
摘要：索穹顶结构 (Cable Dome) 是目前能够最好体现张拉整体体系特点的空间铰接杆系结构, 对于索穹顶结构而言, 最重要的是对其受力杆件内力变化的研究, 杆件内力随着外部条件的改变, 造成了不同程度的变形, 而结构体系在施工过程中造成的变形偏差对结构造成了一定的影响, 会加大位移偏差。本文以某煤炭交易所工程为工程实例, 分析结构体系各类杆件变形所引起的位移变化, 以确保结构安全。
关键词：索穹顶结构,杆件,内力分析,偏差
参考文献
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[5]黄小弟.浅谈索穹顶结构[J].科协论坛 (下半月) , 2008 (04) .
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结构内力图速画法 篇4
1 结构内力图的形状
从结构中取出任意杆件AB,其上作用的荷载如图1所示。
1.1q//决定着AB杆件轴力图的形状q//=0时,轴力图//杆轴线;
q//=c≠0时,轴力图为一斜直线。
1.2q⊥决定着AB杆件弯矩图、剪力图的形状q⊥=0时,剪力图//杆轴线,弯矩图为一斜直线;
q⊥=c≠0时,剪力图为一斜直线,弯矩图为二次抛物线。
注意:1)内力图为平行线的,可求出杆件上任意截面的内力,作杆轴线的平行线即可;2)内力图为斜直线的,可求出两个杆端内力,连线即可;3)M图为二次抛物线时,其凸向与均布荷载q⊥方向一致。
2 结构内力图的突变
从结构中取出任意杆件AB,在杆上有任意截面C,在C截面上作用有集中荷载。此时,若:1)沿杆轴线在C截面作用一集中荷载Fp时,AB杆件轴力图在C截面处发生突变,突变量即为Fp,其剪力图、弯矩图没有影响;2)垂直于杆轴线在C截面作用一集中荷载Fp时,AB杆件剪力图在C截面处发生突变,突变量即为Fp,其轴力图没有影响,弯矩图会发生转折;3)沿杆轴线在C截面作用一力偶M时,AB杆件弯矩图在C截面处发生突变,突变量即为M,其轴力图、剪力图没有影响。
3 叠加法作弯矩图
当杆件上作用有均布荷载或集中荷载时,可先求出杆件两端的杆端弯矩,用虚线连接两个杆端弯矩(称此虚线为基线),然后再叠加上简支梁(假设梁长均为l)受均布荷载或集中荷载作用时的弯矩图。
4 已知荷载作用情况和弯矩图,画轴力图、剪力图
1)知道弯矩图,根据弯矩与剪力的微分关系,有下面规律:
a.当弯矩图是直线时,剪力图也是直线,Q=-k,其中,k为M图斜率;
b.当弯矩图为二次抛物线(此时,杆件上肯定作用有垂直于杆轴线的均布荷载q)时,剪力图为斜直线:
Q左
注意:a.坐标系的建立:以杆轴线所在直线为x轴,确定正方向之后,逆时针旋转90°,得到y轴正向;b.斜率的正负:直线与x轴正向夹角小于90°为正,大于90°为负。
2)已知杆件的弯矩图和剪力图之后,依据结点的力平衡绘制出杆件的轴力图。
5 例题讲解
已知刚架受荷情况如图2所示,弯矩图如图3所示,杆长均为l,作结构的剪力图、轴力图。
解析:1)作剪力图(如图4所示)。
AD杆:杆上有均布荷载作用,剪力图为斜直线,先求出两个杆端弯矩,然后连线即可。
CD杆:杆上无均布荷载作用,剪力图为平行于杆轴线的直线,但因杆上有集中荷载的作用,其剪力图会在E截面处发生突变,可分为CE杆和DE杆两部分,分别作其剪力图。
BD杆:杆上无任何荷载作用,剪力图为平行于杆轴线的直线。
2)作轴力图(如图5所示)。
作轴力图时,可以考虑结点的平衡,先由C结点平衡可以求得:NCD=0(也可以求出C支座反力(向上));再由D结点平衡,求得:
参考文献
[1]龙驭球,包世华.结构力学教程(Ⅰ)[M].北京:高等教育出版社,2007:57-68.
[2]王彦明,王小惠,张琦.速画结构弯矩图的几点技巧[J].现代教育,2007(6):29-30.
[3]张金生.结构力学(二)(2007版)[M].武汉:武汉大学出版社,2007:57-63.
地下人防工程结构内力计算的特点 篇5
1 人防结构的设计特点
通常, 地下建筑使用功能为平战结合人防地下室。地下人防工程上作用的荷载, 平时正常使用时以静荷载为主, 战时以爆炸冲击波产生的动荷载为人防工程的主要荷载。因此, 人防工程结构设计, 除了要满足一般的使用要求以外, 同时还要满足战时能够承受规定爆炸荷载的效应组合要求。
钢筋混凝土结构构件可按弹塑性工作阶段进行设计。由于构件在塑性阶段工作可比仅在弹性阶段工作吸收更多的能量, 因此可以充分发挥材料潜力。由于人防工程防护设计是将动荷载等效为静荷载进行分析, 与此相适应的是, 人防工程的结构材料承载能力是按静载试验取得的, 这些材料的强度在用于人防工程设计时, 要将材料在动载下的强度提高因素考虑进去。因此, 人防工程设计时的材料强度要用动荷载强度增强系数来进行调整后方可用于结构设计。这是人防工程结构设计的一个重要特点。
2 关于等效静荷载的设计概念
人防工程设计的核心问题, 是人防工程结构内力的计算方法和构件截面的设计方法。人防工程设计从程序上看, 大体可以分成三个层次:结构方案、内力分析、截面设计。其中的内力分析是人防工程结构设计与一般建筑结构设计有较大的区别, 而截面设计则与一般建筑结构设计方法基本相同。进行人防工程的结构分析, 首先要根据建设单位的设计委托书中确定的工程的抗力等级, 由此明确工程的防护要求。防护等级确定后, 即可根据有关的规范来确定人防工程的各种荷载作用数值。
人防工程的荷载平时以静载为主, 战时以动荷为主, 这种动荷载是冲击荷载。那么人防工程的荷载是如何选用的呢?动荷载又是如何作用于结构上的呢, 解决这一问题的思路是, 把爆炸动荷载转化为等效的静荷载, 然后根据荷载组合情况, 按照一般静力结构力学的方法求出结构的设计内力。一般结构进行内力分析的方法是对结构从整体上进行分析, 从整体结构到具体构件, 而人防工程的内力分析是先将结构分解成为独立的构件, 每种独立的构件分别按照不同的防护要求和防护等级, 计算其等效静荷载, 每种构件所受的荷载不再向其它构件传递。
等效静载法原则上只适用于单个构件。实际人防工程结构是由顶板、梁、外墙、柱等构件组成的多构件体系。用等效静载法设计时, 一般将结构分解成独立的构件, 求出各自的等效静载后, 将复杂结构简化为基本结构或构件, 即可按静力荷载作用下结构内力计算结构的内力。
这样一来, 人防工程的顶板设计时, 不再考虑其它构件对顶板的影响, 设计外墙时, 不再考虑其它构件对外墙的影响。计算底板时, 也不再考虑其它构件对底板的影响。另外, 内部承重墙柱设计时也不再考虑所有其它构件的影响。爆炸动荷载可以简化为等效的静荷载的原因, 在于在爆炸荷载对于不同的工程部位并非同时达到荷载的最大值, 因此可以不必把整个结构作为一个整体进行结构整体分析, 而是独立地分别按照荷载的最大值分别设计计算各个构件。这是人防工程结构内力计算的基本特点。
3 几种人防结构构件上的荷载取值方法
上部建筑物对于人防地下室顶板是否有防护作用, 结构设计人员常常存在模糊认识, 似乎上部建筑物对于人防工程存在某种程度上的防护作用。其实, 这种认识是错误的。上部建筑物对人防地下室顶板核爆动荷载的影响, 应从爆炸冲击波与建筑物的相互作用来进行分析。当冲击波从迎爆面墙壁的各个窗孔冲入室内, 由于从孔洞骤然进入一个较大的空间, 冲击波峰值降低, 经过了室内各个方向障碍面复杂的反射过程, 形成了新的超压波形, 地面建筑也相应由变形、开裂、失稳而最后倒塌。
由此分析, 可以清楚地理解上部建筑物自重计算方法, 也就明确了为什么在人防工程等效静荷载中, 上部建筑物自重为什么会作用于顶板。这是因为上部建筑物在爆炸的冲击波作用下遭受破坏, 建筑物倒塌, 或者被抛掷到远处。核爆时, 上部的混凝土承重墙全部倒塌, 压在地下人防工程的顶板上, 这时上部建筑物的自重取其全部, 而其余结构形式, 由于建筑物被抛掷, 因此上部建筑物的自重取一半或不计。
在设计构件截面时, 要严格区分临空墙、扩散室墙、进出口楼梯、防倒塌棚架等各类构件的动荷载作用的区别。临空墙一侧在工程防护门以外受空气冲击波荷载作用、一侧在工程防护门以内不受冲击波荷载作用的影响。扩散室外与防护门外的通道相隔的临空墙, 其外侧受到空气冲击波的强大压力荷载, 墙的内侧还受到冲击波经过防爆活门进入扩散室的余压荷载。人防工程室内出入口楼梯核爆动荷载, 应按构件正面和反而不同时受荷分别计算配筋。防倒塌棚架只是梁、柱等构件的迎爆面承受冲击波荷载, 其余方向上均不受动荷载。
某地铁站主体结构内力分析 篇6
关键词：地铁站,主体结构,内力分析
0 引言
近年来,随着地面交通压力的增大,地铁发展呈明显增长趋势,本文主要结合某实际地铁工程,对某地铁站主体结构的内力进行分析。
1 工程概况
该主体结构地下1层用于商业开发,地下2,3层都是车库,与地铁车站地下1,2,3层合建。主体结构采用双层叠合墙结构,地下连续墙为主体结构的一部分,围护结构采用800 mm厚地下连续墙,主体结构采用双层叠合墙结构,地下连续墙为主体结构的一部分。
2 主体结构有限元模型
采用MIDAS/Gens7.3有限元软件,建立该地铁站主体结构的有限元模型(见图1)。模型中,梁、柱及桩等均采用梁单元;叠合墙、地连墙、楼板和承台均采用板单元。各单元的物理特性及截面属性均与实际结构取值相同。
3 内力分析
按照结构所受的实际荷载效应,并考虑承载能力极限状态的基本组合(用于配筋计算)和正常使用极限状态的标准组合(用于裂缝宽度验算)[1],同时还考虑一定的边界条件,对主体结构进行内力分析。图2为主体结构顶板的竖向最大位移图;图3为底板的最大位移图。
由图2,图3分析可得,顶板和底板的位移均满足规范[2]要求:顶板:18.2/7 400=1/407<1/400;底板:5.3/8 000=1/1 509<1/400。
城市快速轨道交通的施工绝大多数处于地下,且往往处于地下水位以下,因此,对于城市快速轨道交通地下主体结构来说,结构的抗浮验算是当前地铁建设的重点和难点。国内外通常采取的有效措施有以下三点:1)当主体结构的顶板露出地面以上时,可以在底板以下设抗拔桩,利用桩身自重以及桩与桩周土的摩阻力来抵抗浮力;2)当主体结构顶板以上有覆土时,在围护桩顶冠梁位置设抗浮压顶梁,利用围护桩自重及其与地层的摩阻力共同抗浮;3)如果场地足够大到施工可以放坡开挖的程度,可以在底板两侧增设抗浮趾板,利用趾板以上的填土自重抵抗水浮力[3]。根据实际设计需求,本文主要采取第一种抗浮措施。表1给出了通过有限元计算得出的抗拔桩特征截面的内力值。
采用以下公式对单桩进行竖向承载力及其抗拔验算。桩单桩极限承载力标准值Quk计算公式如下:
其中,u为桩身周长;qsik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值;qpk为桩径为800 mm的极限端阻力标准值;li为桩周第i层土的厚度;Ap为桩端面积。
桩单桩极限承载力特征值Ra为:
其中,K为安全系数,取2。
桩的抗拔极限承载力标准值Tuk计算式为:
基桩抗拔承载力验算公式如下:
其中,Gp为基桩自重。
通过计算可知:
ZJ1桩:单桩极限承载力特征值Ra=Quk/2=5 636 k N>3 576 k N,竖向极限承载力满足要求。ZJ2最大压力值小于ZJ1,故桩长能满足要求。
ZJ2桩:单桩极限承载力特征值Ra=Tuk/2+Gp=3 708 k N>3 160 k N,ZJ2抗拔极限承载力满足要求。ZJ1最大拉力值小于ZJ1,故桩长能满足要求。
ZJ3桩:ZJ3桩分布在一期物业底板下,直径1.2 m,桩长50 m。最大压力和拉力值均小于ZJ1,故桩长能满足要求。
ZJ4桩:单桩极限承载力特征值Ra=Quk/2=4 439 k N>2 682 k N,竖向极限承载力满足要求。
基桩的抗拔极限承载力标准值Tuk为:
抗拔极限承载力满足要求。
ZJ5桩:单桩极限承载力特征值Ra=Quk/2=14 056 k N>10 615 k N,竖向极限承载力满足要求。
基桩的抗拔极限承载力标准值Tuk为:
为了验算底板的抗裂性能,图4和图5分别给出了主体结构底板在正常使用极限状态下的横向和纵向弯矩设计值包络图。
由图4和图5可以得出正常使用极限状态下的底板横向和纵向的弯矩值,正常使用状态下的裂缝计算满足规范要求[2]。
4 结语
本文主要对某地铁站主体结构的内力进行分析,并给出了主体结构的内力计算过程和结果,结果表明均满足规范要求[2]。
参考文献
[1]梁兴文,史庆轩.混凝土结构设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.
[2]GB50010-2010,混凝土结构设计规范[S].
支护结构内力 篇7
结构力学是土木工程类专业非常重要的专业基础课。结构力学中超静定结构最后内力图 (这里主要指弯矩图) 的校核, 除平衡条件的校核外, 更重要的是按位移条件进行校核。只有既满足平衡条件又满足已知位移条件的内力图, 才是唯一正确的解答。国内绝大部分结构力学教材 (这里只列举了部分教材) 在讨论位移条件的校核时也都提到, 当结构只受荷载作用时, 对于任一无铰封闭框格, 弯矩图的面积除以相应杆件的抗弯刚度后的代数和应等于零[1,2,3,4,5]。
一般情况下, 这个结论是成立的, 但对于对称结构受反对称荷载作用下的最后弯矩图而言则不然。即当结构的弯矩图为反对称时, 这个结论只是必要条件, 而非充分条件。
2 问题实例
图1为对称超静定刚架, 承受水平荷载2F作用, 图2为其弯矩图 (其中α, β可为任一常数, 为满足平衡条件, 须使α+β=1) , 图3为其相应基本结构的单位弯矩图。显然, 其M图是反对称的, 当用图3来进行图乘校核时, 必有:
其中, 珚M为单位弯矩图的弯矩方程;M为荷载作用下原超静定结构的弯矩方程;EI为杆件的弯曲刚度;ω为M图中弯矩图的面积。
亦即在α, β为任一常数的情况下, 均满足无铰封闭框格弯矩图的面积除以相应杆件抗弯刚度后的代数和等于零。由于静力解答只有一个, 这显然达不到校核的目的。
3 结语
1) 当对称结构作用反对称荷载, 其弯矩图为反对称时, 不可选用单位弯矩图为正对称的基本结构来进行位移条件的校核。
2) 当对称结构作用对称荷载, 其弯矩图为正对称时, 不可选用单位弯矩图为反对称的基本结构来进行位移条件的校核。
参考文献
[1]朱慈勉, 张伟平.结构力学[M].北京:高等教育出版社, 2009.
[2]龙驭球, 包世华.结构力学教程 (Ⅰ) [M].北京:高等教育出版社, 2000.
[3]李廉锟.结构力学 (上册) [M].北京:高等教育出版社, 2009.
[4]刘蓉华.结构力学[M].成都:西南交通大学出版社, 2007.