围护结构变形

围护结构变形（共8篇）

围护结构变形 篇1

1 引言

随着城市化进程不断加快,高层建筑越建越高,基坑向深、大方向发展,因此在基坑的挖深、支护结构的刚度、支撑的设置位置及其刚度、坑底加固和超载范围等的影响下,使得基坑的变形性状发生一系列的变化。本文拟采用考虑基坑开挖时空效应的弹性地基梁计算方法来对各种情况进行数值模拟,分析围护结构刚度和支撑位置对于SMW工法围护结构变形性状的影响。

2 考虑基坑开挖时空效应的弹性地基梁计算方法

考虑基坑开挖时空效应的弹性地基梁计算方法计算原理见图1,开挖面以上部分挡土结构采用梁单元,基底以下部分为弹性地基梁单元,支撑为弹性支承单元。荷载为主动侧的土压力和水压力。

等效土体水平抗力系数的计算模型Kh:

1)对于非地基加固部分

2)对于地基加固部分

式中,γi、Ci、φi分别为第i层土体的容重、内聚力和内摩擦角;hi、hi-1分别为第i层、第i-1层土体的层底埋深;Bj、Hj、Tj分别为第j道工序的开挖宽度、开挖深度、开挖时间;ps为加固体的比贯入阻力。

3 工程背景

本基坑开挖深度10.9m,宽度24.6m。采SMW工法桩围护。SMW工法水泥土搅拌桩直径为850mm,中心距600mm,两根搅拌桩之间的搭接长度为250mm,搅拌桩长度23m,桩身采用425号普通硅酸盐水泥,水泥掺量20%,水灰比为1.5。内插H型钢长度20m,型钢截面尺寸为700 mm×

基坑开挖过程中共设三道支撑,分别位于地表下1.15m,5.28m,8.7m,采用609钢管支撑。共分四个工况,分别为:开挖至第一道支撑底并施工第一道支撑(工况一);开挖至第二道支撑底并施工第二道支撑(工况二);开挖至第三道支撑底并施工第三道支撑(工况三);开挖至基坑底(工况四)。

围护结构中的型钢为A3钢,弹性模量2.0×105MPa,搅拌桩单轴抗压强度平均值1.95MPa,根据日本规范的公式可得其弹性模量为1 950MPa。μ=0.25,γ=18.4kN/m3。开挖过程采用609钢管支撑,E=2.0×105MPa,A=0.0225m3。

土层的物理力学性质指标见表1。

4 支护结构刚度对于围护结构水平位移和内力的影响

对于SMW的设计计算,结构的刚度对于复合围护结构的变形和受力的影响是最关键的一点。对于SMW支护结构的刚度对围护结构性状的影响可以通过等代刚度的混凝土地下连续墙的计算来比较。

计算的算例取地下连续墙的厚度为0.50m、0.55m、0.60m、0.65 m、0.70 m、0.75 m五个数值,其余的对于工况如开挖深度和支撑设置以及土层条件的假设等同于前面的计算中的设定。计算结果包括挡土墙的位移和位移差值两部分,见图2～图6所示。从图中可知,随着围护结构刚度的增加,首先挡土墙的最大水平位移呈减小趋势,如当围护墙的厚度为0.50 m时,其最大水平位移为44.41mm,而当围护墙的厚度增加到0.75 m时,其最大水平位移减小到33.44 mm,减小的幅度达到10.97 mm。从整个曲线的形态来看,围护墙顶端的位移随着围护结构刚度的变化有较明显的变化,刚度对围护结构的水平位移影响最大的位置出现在10.9m,即坑底,也是水平位移最大的地方。在18m以上一般是随着刚度的增加围护结构的水平位移逐渐减小。而在18m以下出现临界点,随着刚度的增加其位移值逐渐增大。这主要是由于随着围护结构刚度的增加,挡土墙由柔性向刚性转化,因而结构的变形由柔性位移向刚性位移转化。

对于围护结构的内力,特别是弯矩,至开挖到坑底时,当围护结构的刚度逐渐增大时,也即随着围护结构宽度的增加,弯矩逐渐增大。在围护墙的厚度为0.5 m时,其最大弯矩值为385.68kN·m,而当围护墙的厚度为0.75 m时,其最大弯矩值增加到1124.54 k N·m。这是因为,当围护结构的刚度小时,整个围护结构表现为柔性,虽然围护结构的变形比较大,但以柔性为主,因而结构的内力较小;当围护结构的刚度增大时,虽然总的围护结构的变形减小,但逐渐以刚性位移为主,因而结构的内力逐渐增大,

表现为弯矩逐渐增大。但由于围护结构的宽度增加,其截面惯性矩增大,因而应力的增加也不是成比例的。以围护结构的宽度分别为0.5m和0.75 m为例,由梁的纯弯曲计算公式可得:

将相应的数值代入,设围护结构的等代宽度为h,可得:

由此可知,虽然截面所受的弯矩增加很大,但截面所受的正应力几乎没有增加,且远远低于型钢的允许应力(A3钢的抗拉强度设计值为210MPa,其抗压强度设计值也为210MPa),因此从强度安全的角度考虑,由于围护结构的宽度增加而导致的内力的增加不会存在问题。

5 支撑设置位置对于围护结构内力和水平位移的影响

在深基坑开挖过程中,为了基坑施工的安全进行,确保周围环境受到尽可能小的影响,一般在深基坑中都要设置一道或多道支撑。在此,将通过改变支撑设置位置,以研究有支撑条件下的基坑变形性状。

基坑工程中支撑的设置位置主要有两方面的意义。首先,不同的支撑设置位置引起挡土墙受力和变形性质的不同;其次,由于实际上支撑的设置位置也就是每层土体开挖的深度,因此还影响到开挖土体对于围护结构的空间效应。一方面,要充分发挥土体的空间作用来抑制挡土墙的变形;另一方面,在合理的范围内通过支撑的设置来改变挡土墙的受力和变形性能。选择合适的支撑深度,就是综合考虑上述两方面的因素。

为确定最佳的支护深度,分别计算出围护结构在不同的支护深度下的变形。计算仍假定采用三道支撑,且在确定每道支撑的最佳位置时,其余两道支撑的位置不变,在计算以后的最佳支护位置时,初始的支护位置采用前面的计算结果。

1)第一道支撑位置对基坑变形影响

图4表示工况三和工况四围护结构的变形随第一道支撑位置变化曲线。由图可知,随着第一道支护位置的下移,开始变形逐渐减小,在支护位置为2m左右时其变形值达到最小,然后变形值又逐渐增大,因此可以认为第一道支撑最佳支护位置是2m左右。但从结果计算图中可知,第一道支撑的位置对于围护结构的变形总体上没有太大的影响。

2)第二道支撑位置对基坑变形影响

利用前面的计算结果,设定第一道支撑的位置为2.0m,来计算第二道支撑的最佳设置位置,其计算结果如图5所示。由图5可知,第二道支撑的设置位置对于围护结构的变形具有很大的影响。

在工况三和工况四中,随着支撑设置深度的加大,围护结构的变形基本上以深度5.25m为转折点,先是随着深度的加深逐渐减小,然后是逐渐增大,其中,最大变形值的减小幅度可以达到14mm以上,由此可见,支撑的设置位置是极其重要的。

由上述的计算结果可以得出,对于第二道支撑的设置位置可以认为在5.25m左右可以使挡土墙的变形得到最佳控制。

3)第三道支撑位置对基坑变形影响

以前面的计算结果作为进一步计算的前提,将第二道支撑设置在5.25m处,而计算在不同的第三道支撑位置的作用下的挡土墙的变形值。模拟计算同样假设不同的支撑深度,计算结果如图6所示。由图6可知,第三道支撑的设置位置对于工况三、工况四的影响很显著。

在工况三下,挡土墙的变形随支撑的下移,浅部位移逐渐减小,而深部位移逐渐增大,当支撑设置位置降到10m时,即相当于不架设第三道支撑时,位移是最小值的2倍左右。而工况四下挡土墙的位移随着支撑的下移,开始时逐渐减小,然后在支撑位置在7.5m左右时达到最小,然后又随着支撑的下移而增大。计算结果显示,在最优支撑位置下其最大变形值为42.97mm,比最大值48.06mm要小5mm左右,因此,对于控制基坑的变形具有很重要的意义。

以上通过大量的试算得出,对于算例的工程条件,包括工程地质条件和挡土墙的设计参数,其最佳支护位置是2.0m,5.25m,7.5m。更进一步的优化支撑位置有利于减小挡土墙的向基坑内侧的位移,使围护结构的受力和变形更加合理,同时又充分发挥土体对于基坑变形的空间作用,利用土体的强度抑制挡土墙的变形。

但是,上述计算过程总是假设其余两道支撑的位置不变而改变其中的一道支撑的位置的计算方ÄÁ法,这ÅÁ在某ÆÁ种程Â度Á上有助于理解每道支撑的设置位置对于变形的影响程度,但更进一步的优化支撑的设置位置尚要在此基础上进行迭代计算。而且,上述计算是针对特定的工程实例进行的,对于特定的工程地质条件有其合理性,对于其它的工程地质条件下的具体量化结果尚待验证。但是,不难从上述计算中Ç得到È支撑设置位置对于挡土墙变形影响的一般结ÉÃÁ论。ÈÂ

6 结论

由以上研究结果表明,支撑的刚度对于挡土墙的变形的影响较小,而且由于在地铁深基坑施工中,大量采用609钢管支撑,此时关于支撑刚度的影响可以转化为支撑距离和支撑数的计算,因此对于支撑刚度的计算没有多大意义。在各个影响因素中,围护结构的刚度能大幅影响结构的内力,而支撑的设置位置对于挡土墙的变形有很大影响。

参考文献

【1】刘建航,候学渊.基坑工程手册[K].北京:中国建筑工业出版社,1997.

【2】王勖成,邵敏.有限元法基本原理和数值方法[M].北京:清华大学出版社,1995.

【3】刘国彬,黄院雄.考虑时空效应的等效土体水平抗力系数的取值研究[J].土木工学报,2001(6).

【4】郭立凯.实用化工建材生产技术[M].北京:金盾出版社,1999.

【5】郭立凯.小型混凝土砌块的生产和应用[M].北京:金盾出版社,2003.

建筑围护结构的节能设计 篇2

关键词:外围护结构;U值;保温;节能

中图分类号:TU201.5 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)10-0013-02

1建筑围护结构发展概况

建筑围护结构就像人类的衣服一样,保护着它们不受极端温度和气候变化的影响。它起的作用越大,采暖或空调的能耗就越小。因此技术手段和构造方法必须在每一个细节上都与功能和气候所决定的要求相协调。

建筑的采暖要求很大程度上取决于建筑围护结构的热量损失,建筑构件的热量传递损失是和它的面积和导热能力相对应的。首先要把建筑变得更加紧凑,其次是要采取优质均匀的材料。对于那些面积比较大的元素来说,保温性能的好坏显得尤为重要。

建筑围护结构通常包括透明和不透明两个部分。由于玻璃的U值(室内外温差时热传递的参数,用于描述通过物体时的热损失,它表示室内外温差相差每1华氏度,每1个小时每平方英寸玻璃通过的热量)比较高,所以它的热损失要比其它不透明的建筑围护结构大得多。窗户必须满足自然通风和采光与外界的视觉联系和建筑表现等一系列功能要求。同时,这些围护结构如果是经过正确的规划和设计的话,还可以作为被动式利用太阳能的基础。

对于玻璃区的构造来说,窗框和玻璃的质量有着至关重要的意义。近年来,玻璃工业有了很大的进步。三层中空玻璃和特殊的表面处理可能实现很低的U值。这种玻璃的造价只比传统的隔热玻璃贵了不到25%,而且随着它们的大规模推广,价格还会大幅下降。即使对于传统的隔热玻璃来说,窗框的隔热性也比玻璃要差得多。因此在采用三层中空玻璃时,必须对窗框的隔热性有相应的提高,有保温层的窗框应运而生。这些窗框要昂贵得多。而且,由于三层中空玻璃的厚度比较大,所以就要求窗框的截面也比以前更宽,这对设计和美观来说是一个美中不足的地方。在这种情况下,大型整体窗户可以降低窗框的用量,固定扇和开启扇开启的合理划分也可以减少厚窗框的用量。几乎没有可开启扇的梁柱式里面与三层中空玻璃的结合会更加经济,受力面也会少得多。

对于提高窗户标准来说,与立面其他部分结合时,避免热桥的产生和保证气密性是非常重要的,建筑维护结构上的渗漏电往往出现在这些地方。

不透明的墙体必须同时满足各种不同的要求,例如,用同一种材料,既要满足保温的要求,又要满足热量储存的要求,这样就会导致两种效果都不是很理想。在这种情况下,正确的方法是采用不同特征的裁量和设计相结合的办法在外墙上添加轻质保温材料,可以提高墙体的U值。这个设计取决于室内建筑围护结构的蓄热能力对温度波动的补充。多个层次的外墙设计为把具有蓄热功能的实体构件放在内侧提供了条件,而保温层则设置在外侧。整个建筑外围护结构外表面均匀的保温层有利于避免在外墙上出现保温的薄弱环节。在建筑节能中,需要对建筑围护结构之间的连接点予以高度的重视,尤其是要避免热桥的产生。

保温材料的发展趋势主要集中在针对性的应用,而不是要实现单个产品或系统的普遍适用。采用高效保温材料后,墙厚得以减薄。但如果采用内保温,主墙体越薄,保温层越厚,热桥的问题就越趋于严重。在寒冷的冬天,热桥不仅会造成额外的热损失,还可能使外墙内表面潮湿、结露,甚至发霉和淌水,而外保温则不存在这种问题。由于外保温避免了热桥,在采用同样厚度的保温材料条件下,外保温要比内保温的热损失减少约20%,从而节约了热能。

2建筑外墙保温效果分析

对外墙进行保温,无论是外保温、内保温还是夹心保温,都能够使冷天外墙内表面温度提高,使室内气候环境有所改善。然而,采用外保温则效果更良好,其原因主要表现于以下几个方面。 ①外保温可以避免产生热桥。在采用同样厚度的保温材料条件下,外保温要比内保温的热损失减少约1/5,从而节约了能耗。 ②在进行外保温后,由于内部的实体墙热容量大,室内能蓄存更多的热量,使诸如太阳辐射或间歇采暖造成的室内温度变化缓慢,室内温度较为稳定,生活较为舒适;也使太阳辐射热、人体散热、家用电器及炊事散热等因素产生的“自由热”得到较好的利用,有利于节能,而在夏季,外保温层能减少太阳辐射热的进入和室内高气温的综合影响,使外墙内表面温度和室内空气温度得以降低。可见外墙外保温有利于使建筑冬暖夏凉。 ③室内居民实际感受到的温度,既有室内温度又有围护结构内表面温度的影响,这就证明,通过外保温提高外墙内变面温度即使室内的空气温度有所降低,也能得到舒适的热环境,在加强外保温,保持室内热环境质量的前提下,适当降低室温,可以降低釆暖负荷,节约能源。④由于采用了外保温的结果,内部的砖墙或混凝土墙受到保护,室外气候不断变化引起墙体内部较大的温度变化发生在外保温层内,使内部的主体墙冬季温度提高,湿度降低,温度变化较为平缓,热应力减少,因而主体墙产生裂缝、变形、破损的危险大为减轻,使用寿命得以延长。

3节能建筑外墙外保温系统的分类 ①EPS板薄抹面外保温系统。以EPS板为保温材料,玻纤网增强聚合物砂浆抹面层为保护层,采用粘结方式固定,抹面层厚度小于6 mm的外墙外保温系统。②胶粉EPS颗粒保温浆料外保温系统。以矿物胶凝材料和EPS颗粒组成的保温浆料为保温材料并以现场抹灰方式固定在基层上,以抗裂砂浆玻纤网增强抹面层和饰面层为保护层的外墙外保温系统,在此基础上又开发了适合于粘贴面砖饰面层的外墙外保温系统。③现浇混凝土复合无网EPS板外保温系统。用于现浇混凝土剪力墙体系。以EPS板为保温材料,以玻纤网增强抹面层和饰面涂层为保护层,在现场浇筑混凝土时将EPS板置于外模板内侧,保温材料与混凝土基层一次浇筑成型的外墙外保温系统。④现浇混凝土复合EPS钢丝网架板外保温系统。用于现浇混凝土剪力墙体系,以EPS单面钢丝网架板为保温材料,在现场浇筑混凝土时将EPS单面钢丝网架板置于外模板内侧,保温材料与混凝土基层一次浇筑成型,钢丝网架板表面抹水泥抗裂砂浆并可粘贴面砖材料的外墙外保温系统。⑤硬泡聚氨酯外保温系统。用聚氨酯发泡工艺将聚氨酯保温材料喷涂于基层墙体上,聚氨酯保温材料面层用轻质找平材料进行找平,饰面层可采用涂料或面砖等进行装饰,该工艺保温效果好,可达到国家第三步节能目标,而且施工速度快,能明显缩短工期。⑥保温砌块和预制保温板外保温系统。用轻质砂浆预制成保温砌块或工厂预制的保温挂板与墙体复合形成保温系统,施工速度快,能明显缩短工期。 ⑦XPS板外保温系统。用XPS板代替EPS板形成的保温系统,导热系数低、保温性能好,但XPS板表面的粘结性以及透气性仍需进一步研究。

具有良好保温性能的建筑围护结构和紧凑的建筑形式可以减少建筑的能量消耗。太阳能可以满足剩下的能量要求中的绝大部分。但是,在晴天,尤其是春秋季,收集来的太阳能往往得不到充分的利用。过热的情况常常会出现,剩余的热量必须通过通风或者阻止太阳入射来解决。内部储存能量的蓄热性能越强,热量的损失就越小。热量储存能量还可以对夏天和冬天房间内的温度变化进行调节。这也是最容易造成过热,尤其是加大室内热负荷的原因所在。热量储存体量和夜间通风的结合还能起到“冷储存”的作用。在建筑节能中,要是能做好这些细节的处理,则可以事半功倍。

参考文献:

[1] 丁大均.墙体改革与可持续发展[M].北京:机械工业出版社, 2006.

[2] 徐占发.建筑节能技术实用手册[M].北京:机械工业出版社, 2005.

围护结构变形 篇3

影响基坑围护结构变形及内力的因素有很多,比如:桩径、桩插入深度、支撑刚度、支撑的道数、支撑水平间距及各道支撑所加的预应力等等。如果将各种影响因素的可能取值全部一一组合计算分析,其计算量将非常大。正交数值试验法能很好的解决这个问题,即以模型计算和正交试验分析为手段,通过计算机电算和数理统计分析来评价围护结构变形及内力影响因素的敏感性。

1 工程概况

某基坑开挖深度为16.8 m,采用ϕ1 000@750灌注桩围护结构,桩长为33 m,混凝土材料的弹性模量为3.0×104 MPa,考虑地面超载20 kPa。土弹簧刚度通过水平抗力系数的比例系数m确定,参数取值如表1所示。

2 计算模型

本文采用结构计算比较准确的ANSYS有限元程序进行建模计算。对于被动区土体的影响,采用土弹簧来模拟土体,土弹簧单元为Combin14弹性弹簧单元,弹簧刚度的计算采用m法,如表2所示;地下连续墙的受力类型可近似认为是平面应变问题,墙体单元采用Plan42单元,分析类别为平面应变。墙体单元尺寸为1×1=1 m2,支撑宽度按水平间距进行等效,转化为每延米上的支撑。土压力采用主动土压力,考虑超载20 kN/m2,土体有效应力侧压力系数为0.6(φ′=15°)。计算公式如下:

f=10+0.6×[(19-10)H+20] (1)

其中,f为土压力;H为土层深度。

3 正交试验设计方案及计算结果

在排桩围护结构基坑支护设计中,主要的设计参数包括:桩径d、桩插入深度D、支撑刚度K(K=EA)、支撑的道数n、支撑水平间距S及各道支撑所加的预应力N。各参数均选取五个水平见表3。

注:h(i)表示土层中部到开挖面的高度

注:K0,N0均为原设计值

反映支护结构工作性能的指标有:围护桩水平位移、桩身弯矩最大值及水平支撑轴力。本文选用前两个指标作为敏感度分析的判断依据。选用L25(56)型正交表[2]。

以围护桩的水平位移最大值U为评判标准,可以得到支撑道数n和桩墙厚度d为最敏感因素,支撑水平间距S、预加轴力N、支撑刚度K及桩插入深度D为次要的敏感因素(见表4)。

以桩身最大弯曲应力为评判标准,可以得到支撑道数n和桩墙厚度d为最敏感因素,支撑水平间距S、预加轴力N、支撑刚度K及桩插入深度D为次要的敏感因素(见表5),与按桩身最大水平位移为评判标准所得的结果相近。

比较以围护桩的水平位移最大值U 为评判标准和以桩身最大弯曲应力为评判标准的结果,支撑道数n和桩墙厚度d均为最敏感因素,支撑水平间距S、预加轴力N、支撑刚度K及桩插入深度D为次要的敏感因素。在最为敏感的两个因素中,两个结果是一致的,但其余四个因素的敏感度排序却完全相反,因此在控制桩墙水平位移的同时,也应该注意桩身最大弯曲应力的变化。作为次要的敏感因素,支撑水平间距S、预加轴力N、支撑刚度K及桩插入深度D的变化对指标的影响远较两个主要的敏感因素,即支撑道数n和桩墙厚度d对指标的影响程度为小。

4结语

本文利用有限元模型模拟深基坑支护结构,采用极差分析法,得出了各因素的敏感度,并分析了平面支撑布置的不同情况。

1)影响围护桩墙位移的各因素的敏感度排序为:桩墙厚度d>支撑道数n>支撑水平间距S>支撑预加轴力N>桩插入深度D>支撑刚度K,其中以桩墙厚度和支撑道数为最敏感的两个因素,对桩墙位移的影响比较大,其余四个因素为次要的敏感因素。2)影响墙体弯曲应力的各因素的敏感度排序为:桩墙厚度d>支撑道数n>支撑刚度K>桩插入深度D>支撑预加轴力N>支撑水平间距S,其中以桩墙厚度和支撑道数为最敏感的两个因素,对桩身弯曲应力的影响比较明显,其余四个因素为次要敏感因素。3)不同的评判标准得到的敏感度排序是不同的,但是作为最敏感的两个因素,桩墙厚度和支撑道数是一致的。次要的四个影响因素的敏感度排序正好相反,这一点值得关注。

摘要：利用正交法安排试验,使用ANSYS软件建立了有限元计算模型,通过计算机电算和极差统计分析评价了桩墙厚度、桩的嵌固深度、支撑的刚度、支撑的道数、支撑的水平间距及支撑所加的预应力等因素对围护结构变形及内力的敏感度。对于L形基坑拐角处支撑的布置问题,利用理正深基坑支护结构设计软件F-SPW来模拟计算,并通过多种平面布置方案的比较分析,得到了一些有益的结论。

关键词：正交分析法,敏感性,极差分析,深基坑

参考文献

[1]张旭辉,龚晓南.边坡稳定影响因素敏感性的正交计算分析[J].中国公路学,2003,16(1):36-39.

[2]杨子胥.正交表的构造[M].济南:山东人民出版社,1978:182-199.

围护结构变形 篇4

随着城市建设的发展, 日益要求开发城市三维空间。目前各类用途的地下空间已在世界各大中城市得到开发应用, 诸如地铁车站、地下停车场、地下街道、地下商场、地下医院等, 其中, 地铁车站的建设极大缓解了各大中城市地面交通压力, 但随着基坑工程规模的扩大, 开挖深度的加深, 必然会带来一系列的岩土工程问题。其中基坑开挖的稳定性是一个突出问题, 而围护结构的变形是影响基坑稳定性重要因素之一。

因此, 研究围护结构变形规律是控制其变形的前提。李刚[1]根据上海地铁7号线杨高南路车站基坑的监测数据及数值模拟结果, 分析了地下连续墙的变形特征;刘新等[2]以黄土地区某地铁车站深基坑工程为例, 根据监测结果分析了基坑开挖围护结构的变形规律;杨华伟等[3]以深圳地铁中心公园停车场深基坑工程为例, 讨论了基坑开挖监测方案, 并结合施工中出现的问题, 对现场监测结果进行了分析和总结;刘均红[4]以西安地铁某大型车站深基坑工程为背景, 采用现场监测与三维数值模拟相结合的方法, 研究了开挖过程中地铁车站深基坑的变形规律。

本文拟采用现场监测结合Plaxis模拟开挖支护的方式, 来分析基坑围护结构变形规律, 并研究Plaxis软件模拟基坑变形的可行性。

1 工程概况

1.1 地质概况

车站范围内工程地质以杂填土、粘土、粉质粘土、粉土、粉砂等软土为主, 含水量丰富。

该车站影响范围内地层主要为第四系全新统人工填土层 (Qml) 、第四系全新统上组陆相冲积层 (Q43al) 、第四系全新统中组海相沉积层 (Q42m) 及第四系全新统下组陆相冲积层 (Q41al) , 岩性主要为粉质粘土、粉土。

地表普遍分布人工填土层 (Qml) , 土质不均, 结构松散, 工程性质差。

第四系全新统上组陆相冲积层 (Q43al) 岩性主要为软塑~可塑状粉质粘土及中密状态粉土, 工程性质尚可。

第四系全新统中组海相沉积层 (Q42m) 由软塑~流塑状粉质粘土、中密状态粉土组成, 局部分布有流塑状态的淤泥质土, 工程性质较差。

第四系全新统下组陆相冲积层上部为沼泽相沉积层 (Q41h) , 主要为软塑~可塑状态粉质粘土, 该层厚度较小, 工程性质较差;下部为河床~河漫滩相沉积层 (Q41al) , 主要为可塑状态粉质粘土, 密实状态粉土, 该层土土质较好。

1.2 水文概况

施工区域内地下水可细分为:潜水、第一层承压水、第二层承压水。

潜水含水层:粉质粘土 (4) 层、粉土 (4) 2层、粉土 (6) 1t层、粉质粘土 (6) 1层、粉质粘土 (6) 4层、粉土 (6) 4t层。根据同一场区抽水试验报告可知;水位标高1.569~1.630m。潜水水位一般年变幅在0.5~1.0m。

粉质粘土 (7) 层属不透水~微透水层, 可视为潜水含水层与其下承压含水层的相对隔水层。本含水层水平、垂直向渗透性差异较大, 当局部地段夹有粉砂薄层时, 其富水性、渗透性相应增大。接受大气降水和地表水入渗补给, 地下水具有明显的丰、枯水期变化, 丰水期水位上升, 枯水期水位下降。年变化幅度约为0.5~1.0m。主要含水介质颗粒较细, 水力坡度小, 地下水径流十分缓慢。排泄方式主要有蒸发、人工开采和下渗补给下部承压水。

第一承压水:含水层为粉土 (8) 21层、粉土 (9) 2层、粉砂 (9) 21层。根据同一场区抽水试验报告可知;水头标高-1.854~-1.941m。

粉质粘土 (10) 1层、粉质粘土 (11) 1层属不透水~微透水层, 可视为承压含水层相对隔水底板。本层地下水主要接受上层潜水的渗透补给, 与上层潜水水力联系紧密, 排泄以相对含水层中的径流形式为主, 同时以渗透方式补给深层地下水。该层地下水水位受季节影响较小。

第二承压水:含水层为粉土 (11) 2层、粉砂 (11) 21层、粉土 (11) 3t层、粉土 (11) 4t层、粉土 (11) 5t层。根据同一场区抽水试验报告可知水头标高-2.803~-2.911m。

1.3 车站施工方案及工况

1.3.1 施工方案

本站为地下两层岛式车站, 车站有效站台中心里程处顶板覆土2.5m, 车站总长166m, 标准段宽度约为44m, 标准段基坑深度为16m, 东西端头宽度约55m, 盾构井处为17.86m。车站共设4个出入口及2组风亭, 车站明挖顺作法施工。

维护体系:采用800mm厚, 36m长地下连续墙;

支撑体系:标准段基坑采用三道钢筋混凝土支撑。

1.3.2 标准段工况

工况1:开挖至1m深度, 施做第一道钢筋混凝土支撑;

工况2:开挖至7.5m深度, 施做第二道钢筋混凝土支撑;

工况3:开挖至12.5m深度, 施做第三道钢筋混凝土支撑;

工况4:开挖至坑底标高16.00m处, 施做底板。

2 现场监测

2.1 监测方案

2.1.1 监测仪器

测斜仪、测斜管等。

2.1.2 方法与步骤

(1) 每次测量时, 将探头导轮对准与所测位移方向一致的槽口, 缓缓放至管底, 待探头与管内温度基本一致、显示仪读数稳定后开始测量;

(2) 一般以管口作为计程标志, 按探头电缆上的刻度分划, 均速提升, 每隔一定距离 (500mm或l000mm) 进行仪表读数, 并作纪录;

(3) 待探头提升至管口处, 旋转180°, 再按上述方法测量一次, 以消除测斜仪自身的误差。

2.1.3 计算原理

使用活动式测斜仪采用带导轮的测斜探头, 再将测斜管分成n个测段 (如图1) 。

每个测段的长度li (li=1000mm) , 在某一深度位置上所测得的两对导轮之间的倾角θi, 通过计算可得到这一区段的变位△i, 计算公式为:

某一深度的水平变位值δi可通过区段变位△i的累计得出, 即:

设初次测量的变位结果为δi (0) , 则在进行第j次测量时, 所得的某一深度上相对前一次测量时的位移值△xi即为:△xi=δi (j) -δi (j-1)

相对初次测量时总的位移值为:

2.1.4 数据处理与分析

量测后应绘制位移—历时曲线, 孔深—位移曲线。当水平位移速率突然过分增大是一种报警信号, 收到报警信号后, 应立即对各种量测信息进行综合分析, 判断施工中出现了什么问题, 并及时采取保证施工安全的对策。

2.1.5 测斜监控标准

测斜监控标准如表1所示。

2.2 监测结果分析

围护结构水平位移是基坑运行安全与否最直观、最可靠的体现, 也是基坑监测中最重要指标之一;本节主要对基坑开挖支护过程中标准段围护结构的水平位移监测数据进行分析。该车站基坑地连墙上共布设19个测斜孔, 鉴于测斜孔的完整性及监测数据的可靠性等原因, 拟选取基坑长边中点处ZQT-11孔为分析对象, 来对基坑围护结构变形特性进行研究。

图2给出了ZQT-11孔在整个基坑开挖过程中不同工况下的测斜曲线, 根据曲线图可以发现, 工况1下围护结构最大水平位移发生在墙顶处, 最大值为4.86mm, 而沿深度增加方向水平位移不断减小, 直至11m深度处趋近于0mm, 说明小幅度的开挖对围护结构的影响范围是有限的;工况2~工况4变形曲线近似呈“) ”形, 在墙顶处水平位移均变化较小, 这是由于第一道支撑限制了其变形, 其次, 工况2最大水平位移值为12.33mm, 发生在5.5m深度处, 工况3最大水平位移值为19.03mm, 发生在9.5m深度处, 工况4最大水平位移值为22.5mm<30mm (监测控制值) , 发生在14m深度处, 可以发现随着基坑的不断开挖, 围护结构在不断向基坑内部移动, 最大水平位移值在不断增加, 所在位置也在不断向下移动;此外, 在工况3和工况4测斜曲线上均出现明显的拐点, 分别在7m和12m附近, 这是因为支撑发挥了作用, 限制了其的变形, 导致此处水平位移变化幅度相对其他位置要明显小很多。故开挖结束后及时施做支撑, 使其尽快发挥支撑作用, 是控制围护结构水平变形的有效措施之一。

3 数值模拟

3.1 模型建立

本文拟用大型软件Plaxis模拟基坑开挖支护过程, 根据以往工程经验及有限元计算结果, 基坑开挖影响宽度约为开挖深度的3-4倍, 影响深度约为开挖深度的2-4倍, 为更细致的研究基坑变形规律, 将适当增大土体模拟范围, 故基坑开挖影响宽度取80m, 影响深度取60m。本文采用2D分析方法, 选取基坑长边中点处剖面为模拟对象, 计算中考虑到基坑形状的对称性, 以及缩短计算时间、提高计算精度, 取基坑宽度的一半进行分析, 故模型宽取102m, 深取60m, 模拟采用摩尔-库伦模型, 根据现场勘查结果, 将土体分为9层, 土体材料采用详细勘察报告中物理力学参数表推荐数值, 钢筋混凝土材料按《混凝土结构设计规范》选取。钢筋混凝土材料参数如表2所示, 土体材料参数如表3所示。

3.2 模拟结果及对比分析

经过模拟整个基坑开挖, 将各工况下围护结构水平位移监测数据与模拟结果作对比, 绘出墙体水平位移曲线对比图 (见图3) , 由曲线图可见, 各工况下墙顶水平位移模拟值均小于监测值, 但随深度增加, 二者在某点相交, 此后模拟值均大于监测值;另外, 图中最大水平位移模拟值为26.59mm<30mm, 略大于现场监测最大值, 但二者最大值所在位置较为接近;此外, 由曲线对比图可知各工况下两曲线变化趋势基本相同, 形状大体一致, 说明Plaxis模拟结果在一定程度上能够反应基坑开挖中围护结构变化情况;最后, 图中现场监测曲线呈现波浪形而模拟曲线比较平滑, 这是因为现场施工过程中有很多外界干扰因素, 比如气温、降水、坑边堆积重载及监测误差等, 这些不确定因素的发生导致了监测数据变化不稳定;而数值模拟是在一种较理想条件下进行的, 较少的考虑外界因素影响, 所以得出的数据变化较稳定, 曲线较平滑。

4 结语

通过对天津某地铁站基坑具有代表性的测斜孔监测数据分析, 得出了基坑围护结构变形规律, 并采用Plaxis大型软件对基坑开挖过程进行模拟, 所得结果与现场监测数据进行对比, 结论如下:

(1) 基坑开挖导致围护结构不断向坑内移动, 随着开挖深度的增加, 最大水平位移不断增加, 所在位置不断向下移动, 总体呈“) ”形;支撑的施做大大限制了围护结构向坑内移动, 保证了基坑稳定性, 故及时施做支撑是控制基坑变形的有效措施之一;

(2) 施工期间对基坑围护结构进行信息化施工监测并及时进行分析, 有利于及时采取相应措施, 保证基坑施工及周边建筑物安全;

(3) 利用Plaxis按照该基坑开挖与支护顺序进行数值模拟计算, 其模拟计算结果与信息化施工实际监测结果对比分析, 结果表明二者所呈现的围护结构变形曲线形状大体一致, 说明Plaxis模拟结果在一定程度上能够反应基坑开挖中围护结构变化情况;

(4) 模拟计算结果与实际监测结果所得墙体变形规律基本一致, 说明了土体参数的选取基本符合实际开挖土体受施工扰动参数特性, 可供工程设计参考。

摘要：基于对天津某地铁站基坑监测数据的分析, 得到在开挖过程中围护结构的变形规律, 并采用大型Plaxis软件对基坑开挖支护进行模拟, 将模拟结果与监测结果进行对比, 结果表明Plaxis模拟结果在一定程度上能够反应基坑开挖中围护结构变化情况。

关键词：监测,围护结构,Plaxis

参考文献

[1]李刚.地铁车站深基坑地下连续墙变形特征分析[J].铁道标准设计, 2008, 06:100-103.

[2]刘新, 等.某地铁车站深基坑施工期围护结构及邻近建筑变形监测与分析[J].施工技术, 2014, 43 (13) :55-58.

[3]杨华伟, 等.复杂环境下城市地铁深基坑开挖实测与分析[J].岩土工程技术, 2011, 25 (6) :281-286.

围护结构变形 篇5

基坑工程主要包括基坑围护体系设计与施工和土方开挖,是一项综合性很强的系统工程。在城市建筑物和市政设施密集区进行深基坑开挖,由于挡土结构变形不能有效控制在允许范围内,将给周围环境造成恶劣影响,导致巨大的经济损失和社会影响。本文通过应用增量法原理,在工程设计阶段,模拟施工过程,预测围护结构的变形模式及幅度。并将实测数据与计算结果进行比较,以检验模拟预测的准确性。

1 计算原理及方法

1.1 计算模式

增量法计算,即在施工过程中某个阶段的外荷载相当于前一个施工阶段完成后的荷载增量,支承由支撑弹性作用和地层弹性作用组成,以此来模拟基坑开挖的全过程。求得的围护结构位移和内力相当于前一个施工阶段完成后的增量,当墙体刚度不发生变化时,与前一个施工阶段完成后的墙体已产生的位移和内力叠加,可得到当前施工阶段完成后体系的实际位移和内力。

1.2新增荷载计算

每一步工况都只考虑当前工况新增的荷载,新增加的荷载包括:开挖过程:荷载增量为主动侧土压力的增量、被动侧土体弹性作用由于开挖而造成的刚度损失以及主动侧土体弹性作用卸载后的土反力;支承由支撑弹性作用和开挖面以下的土体弹性作用组成。

加撑过程:荷载增量为加在该支撑上的预加力,支承由其他支撑弹性作用、开挖面以下土体弹性作用以及主动侧土体弹性作用组成。

拆撑过程:荷载增量为与该支撑受力方向相反,大小相等的力。

加楼板(刚性铰)过程:没有荷载增量,但加刚性铰处的位移在以后的工况中将不再变化。

1.3内力、位移计算

当前工况的位移、弯矩、剪力和支撑反力可以通过前面工况每一步的位移、弯矩、剪力以及支撑反力值进行累加后得到。

2实例分析

2.1工程概况

某地铁地下车站,结构形式为双层三跨钢筋混凝土矩形框架结构,采用明挖顺作法施工,基坑深17 m～18 m。车站主体及风道围护结构均采用钻孔灌注桩加钢管内支撑施工。降水采用基坑外管井降水,水位降至结构基底面以下0.5 m。车站地层情况从上到下主要有杂填土、粉质黏土、中粗砂、砂砾、粉质黏土、中粗砂、粉质黏土、砂砾地层。

2.2计算模型

根据上述地质条件及施工情况,共分四步计算模拟施工开挖,其中第一步施工:开挖第一层土;第二步施工:施作第一道横撑,同时开挖下一层土;第三步施工:施作第二道横撑,同时开挖下一层土;第四步施工:施作第三道横撑,同时开挖下一层土。计算模型如图1所示。

2.3支护结构位移分析

根据工程的施工组织,将基坑开挖过程分成7个工况进行模拟计算(见图1:(1)～(7)),并将支护结构位移计算结果与实测数据进行对比。部分对比结果如图2所示。

通过计算结果与实测结果的对比分析可以看出,应用增量法的计算结果与施工实测结果基本吻合,围护结构位移模式基本相同。在预测计算过程中也可能出现计算结果与实测结果相差较大的情况。故建议在应用增量法进行预测计算过程中,要根据施工的现场情况及施工监测的数据及时修正计算参数进行反分析,使预测结果趋于精确。

3结语

在地下工程设计阶段,由于地层纵横向变化、地层物理力学参数取值的经验性、地下水位的变化、施工条件、环境变化以及设计计算模型的局限性等因素的影响,很难对地下结构进行精确分析。故通过原位测试和施工监测数据对计算参数进行持续修正非常必要。从本文的分析结果可以看出,应用增量法原理,通过计算※实测※修正※计算,对基坑开挖施工进行模拟分析,可以较为准确地预测基坑围护结构的变形模式及位移值,为设计及施工提供有效的参考数据。

摘要：介绍了增量法的计算原理及方法,以某地下车站基坑施工为例,对基坑开挖施工进行了模拟分析,预测了基坑围护结构的变形,通过与实测数据的比较,可较为准确的预测基坑围护结构的变形模式及位移值,从而检验了计算预测的可行性。

关键词：基坑工程,围护结构,变形预测,增量法,数值模拟

参考文献

[1]黄运飞.深基坑工程实用技术[M].北京:兵器工业出版社,2001.

[2]夏明耀,曾进伦.地下工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[3]徐伟.土木工程施工手册[M].北京:中国计划出版社,2001.

[4]龚晓南.深基坑工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

冻结围护锚碇基础冻结壁变形解析 篇6

冻结技术源于天然冻结现象, 1862年英国的威尔士的建筑基础施工中首次成功使用人工制冷加固土壤。1880年德国工程师F.H.Poetch提出人工冻结法原理, 并于1883年在德国阿尔巴里煤矿中采用冻结法建造井筒并推广到世界许多国家的隧道、地铁、基坑、边坡、矿井及市政工程中, 成为岩土工程施工的重要方法之一[1,2,3]。我国冻结法应用也有五十多年的实践经验, 主要是用人工制冷技术暂时加固不稳定地层和隔绝地下水, 完成冻结立井工程、桥梁桩基工程及一些基坑隧道工程等[4,5,6,7,8,9]。

深基坑工程中, 围护结构体系的成败关系整个工程的命脉。冻结围护结构是一种新的基坑围护形式, 含水土层冻结后的人工冻土壁具有良好的挡土封水性能、墙体刚度和强度较原土层有很大的提高且质量易于控制。冻结法在交通市政建设领域的技术应用, 是一项新的技术探讨。本文通过冻结围护结构冻结壁的推导解析, 探讨冻结围护基坑的性状特征, 锚碇基础冻结围护基坑工程实例的现场应用, 证明了冻结技术的可靠性和优越性及其在大型桥梁施工中的广阔应用前景。

2 冻结围护结构性状特点

2.1 冻结围护结构特点

冻结围护结构的优点包括环保、封水可靠、可结合其他工法灵活使用控制、对工程事故处理和抢险速度迅捷。主要缺点是“冻胀融沉”需用相关技术解决、冻土墙在夏季需保温措施、地下水流速度过快时难于冻结、需要较大功率的电源。

2.2 冻结壁变形性状

竖向变形特点:冻土墙有一定刚性, 其变形主要受控于倾覆力矩;竖向位移场主要呈斜直线, 上部位移大, 下部位移小。横向变形特点:跨中位移最大, 向两侧逐渐减小, 在拐角处位移基本为零;水平位移场曲线从上向下逐渐平缓;整个墙体的变形呈曲面形状, 最大位移发生在墙跨中上端[1][3]。

冻土墙变形的影响受冻结温度、侧压力、跨度和基坑暴露时间的影响[10][11]。

3 冻结壁变形方程的解析

3.1 冻结壁变形方程

荷载作用下, 冻土作为弹塑性体, 其应力-应变过程包括弹性变形、弹塑性变形、塑性变形等阶段。设冻结壁长宽为a和b的矩形, 边界约束条件有:边y= (0, b) 为简支边, 弯矩为零;x= (0, a) 边界为衬砌支撑 (图1) 。记ω (x, y) 为其挠度, 则满足挠度变形的方程表达式为:

挠曲方程:undefined, 其中

简支边界: (y=0, y=b) :ω (x, 0) =ω (x, b) =0即 (ω) y=0= (ω) y=b=0

弯矩:undefined, 且 (My) y=0= (My) y=b=0, 等价为:undefined

其他边界 (x=0, x=a) :

undefined

, 和

undefined

且φ (0) =φ (b) =ψ (0) =ψ (b) =0

荷载:

undefined

上式中:D——弹性常数;q (x) ——荷载。

冻结壁弹性变形阶段的特性即求解上式解。

3.2 冻结壁变形方程的解析

将上述的挠度函数取为三角函数形式:undefined, 代入挠曲方程得:

undefined

将undefined展开成傅氏级数表达为:

undefined

代入式 (1) 挠曲方程解得:

undefined

上式的通解可解得:

undefined

则挠度函数为:

undefined

上式中:fn (x) 为方程的特解。

由undefined

可以取:undefined

当取n=2n+1时, undefined

令:

undefined

, 并且有:undefined和, undefined

代入式 (4) 则挠度函数可写成:

undefined

又因为:undefined

所以:undefined

则:undefined,

undefined

所以, 扰曲方程的特解为:undefined

一般解为:undefined

对上式一般解中代入边界条件:

undefined和undefined

再利用undefined在 (0, b) 上的正交性, 推导可得:

undefined

对上面各式进行傅立叶积分, 其中对于每一个自然数n, 系数Ci (n) , i=1, 2, 3, 4, 由以下方程组唯一确定:

undefined

对上述冻结壁变形方程解的讨论可发现荷载随深度线性增长, 但变形除线性增长外还呈指数增长趋势, 因此为保证施工的安全进行, 冻结壁的裸露深度不能过大, 应及时进行衬砌支撑, 且需充分掌握地基土层的特性[12]。

4 冻结围护工程应用

4.1 工程概况

某悬索桥锚碇基础工程, 基坑尺寸70.5m (L) ×52.5m (B) ×29m (H) , 采用含水地层冻结形成冻结帷幕墙体作为止水挡土结构, 以排桩及内支撑系统作为围护结构, 共同抵抗水土压力和冻胀力。基坑平面和剖面图详见下图2和图3所示[13]。锚碇基础的冻结围护方案解决了基坑围护结构的挡土和止水问题。

4.2 基坑冻结壁变形性状

基坑开挖后, 圈梁顶向坑内方向发生位移, 且随开挖的深入而加大, 坑外地表呈下沉趋势;立柱桩则在开挖前期, 由于坑内土体的卸载、坑底土回弹等原因隆起, 随着开挖的继续, 立柱桩又有所下沉;圈梁顶在土方开挖整体趋势是向坑内方向发生位移, 详见图4-6所示[14]。

从监测成果图可以看到, 与常规基坑不同, 冻结基坑围护结构所受的侧向力主要是冻胀力和水土压力, 冻胀力还无类似工程经验借鉴。由于冻胀, 基坑未开挖前排桩与土体已产生变形, 且在积极冻结期、围护冻结期、甚至停冻期冻胀一直在发展, 最大冻胀量超过300mm, 随深度呈上大下小的趋势, 且随着开挖深度的加深最大位移点不断下移。基坑开挖后, 圈梁顶向坑内方向发生位移, 且随开挖的深入而加大, 冻结墙施工过程最大变形140.76mm;地表变形沉降约8.6mm, 位置在距基坑边约10m处;围护结构长边与短边的最大水平向变形分别在长、短边中部深约16m处, 各为32.6mm与31.9mm。

5 结论

通过变形方程的解析推导, 探讨锚碇基础冻结围护冻土壁的变形性状, 结合工程实例的应用可以得到: (1) 建立可靠的计算分析和设计施工方法、减小冻结壁的裸露深度、及时施工衬砌支撑、充分掌握地基性质并辅以信息化监测指导施工, 是减小冻结壁变形、保证施工安全的必要措施; (2) 围护结构体系充分利用人工冻结壁良好封水性能, 辅以有效的控制手

段, 冻结壁变形和温度变化都可以控制在允许的安全范围, 工程的成功应用也表明冻结围护结构技术的可靠性和优越性; (3) 冻结壁厚度要合理控制, 且冻胀力对结构体系的变形和内力的影响不可忽视, 冻胀与土层埋深有关, 且随深度逐渐减小; (4) 地下水位较高, 地下水流速不大, 上覆表土层较厚, 利用冻结法穿越表土层, 施工特大型基坑工程在技术和经济效益上都是是可行的, 既可挡土又可止水, 具有广阔的应用前景。

摘要：本文通过冻结围护锚碇基础冻结壁变形方程的解析推导, 探讨冻结围护锚碇基础的工作特征等, 工程实例的成功应用表明冻结技术的可靠性和优越性及其广阔的应用前景。

钢结构建筑的围护结构研究 篇7

1 现有钢结构外墙材料

发达国家在20世纪中期已经基本上形成了以混凝土砌块、各种轻板为基本墙材的两大主导方向,我国墙改也逐渐朝着这两个方向发展。对于墙体材料:1)发展混凝土空心小型砌块、加气混凝土砌块和利用轻骨料与工业废料生产的新型墙体材料;2)推广应用保温复合墙板和性能良好的轻质墙材。在20世纪末,国内具有代表性的墙材革新产品有:GRC夹心复合墙板、FC轻质复合墙板、SRC轻质复合墙板、钢丝网架聚苯乙烯夹心墙板、玻璃纤维石膏板。这些新型墙板的应用和发展刚刚起步,大部分主要是作为围护墙和内隔墙[1]。

1.1 新型砌体材料

1)混凝土空心砌块。小型混凝土空心砌块原料为水泥和骨料,还可以掺入大量工业废渣,如高炉矿渣、煤渣、煤矸石、粉煤灰,同时加工能耗比实心黏土砖低2/3,是一种既可作为承重墙又可作为非承重墙使用的墙体材料。抗冻性和隔声能力都较好,施工方法简单,还可利用砌块的空心在墙体内部浇筑钢筋混凝土芯柱,加强建筑物的整体性。小型混凝土空心砌块如加入保温功能的砌块,施工时在其内部插槽中插入苯板等保温材料,可实现保温功能。

2)蒸压加气混凝土砌块。蒸压加气混凝土砌块是在浆料中加入发泡剂发生化学反应产生气体形成多孔混凝土,成型后采用高压蒸汽进行养护,达到一定强度的砌块,绝干比重通常为0.5左右,是混凝土的1/4,空心砖的1/3,可以大大减轻建筑物的自重,对基础的要求降低,减少基础和结构的经济投入。内部的微小气孔使材料内部形成静空气层,导热系数0.11 W/(m·K),保温隔热性能是普通混凝土的10倍,厚度125 mm的蒸压加气混凝土砌块墙保温性能相当于370 mm实心黏土砖墙。由于自身具有良好的保温隔热性能,作为外墙使用时可以不单设保温层,简化施工,节约成本。自身为不燃材料,100 mm厚外墙耐火时间可达到3 h以上。

3)粉煤灰砌块。粉煤灰砌块是以粉煤灰、石灰、石膏和骨料(如煤渣、硬矿渣、石子、煤矸石等)为原料,加水搅拌、振动成型、再经蒸压养护而成的硅酸盐砌块。承载能力和同体积密度的轻骨料混凝土相接近或略高。

1.2 新型轻质墙板

1)单一材料板材。

采用单一材料制作的墙板,目前有加气混凝土和轻骨料混凝土等可作保温外墙条板。这些材料导热系数小,而强度和耐久性较高,构造简单,是理想的保温结构材料,如蒸压轻质加气混凝土板材。

蒸压轻质加气混凝土板材,简称ALC板材,它是以硅砂、水泥、石灰为主要原料,由经过防锈处理的钢筋增强,经过高温、高压、蒸汽养护而成的多孔混凝土板材,是一种性能优越的新型建筑材料。ALC板材有以下优越性能:1)轻质性;2)隔热性;3)耐火性;4)隔音性;5)抗震性;6)承载性。

2)复合墙板[2,3]。

复合材料外墙板,不仅要具备良好的耐候性、抗风雨性能和满足外围护结构保温、隔热的性能,同时还要解决板的连接构造等问题,技术难度较大。

水泥砂浆抹面的钢丝网架类芯板,由冷拔低碳镀锌钢丝焊成三维网笼,中间芯材可选用聚苯乙烯泡沫板、岩棉矿渣棉和膨胀珍珠岩等,面层喷抹水泥砂浆,有时也用C20细石混凝土代替水泥砂浆。此类板材有泰柏板系列、3D板系列、太空板、舒乐舍板等。

钢筋混凝土绝热夹芯板,这类板一般比水泥砂浆抹面的钢丝网架类芯板容重大、热惰性好。

2 围护结构和钢框架的连接

混凝土框架填充墙的设计要求沿柱高每隔一定距离设置拉结筋以保证框架与填充墙之间的可靠拉结。在钢框架填充墙中,由于钢结构本身有较好的变形性能,所以这种结构形式有较好的抗震性能,要求墙体材料应该具有与钢结构变形的随动性能。因此这种抗剪连接件的设置对填充墙与框架的协同工作,有很大的影响。

研究表明,设置抗剪连接件后,增强了填充墙和框架之间的连接,增加了填充墙框架的整体性,因而增大了填充墙钢框架的承载力。对于无抗剪连接件的填充墙钢框架在水平荷载作用下,如果连接不好那么填充墙与钢柱之间变形不协调,填充墙与钢框架由于过早产生裂缝导致分离,未能充分发挥两种材料的受力特性,导致过早的破坏。要充分发挥连接件的作用,必须合理选择连接件的形式,对钢框架结构来说要选择柔性连接件。文献[4]研究表明单纯的受拉连接件如拉结扁钢等对结构的整体性能改善并不大,相反会在框架与填充砌体的接触表面产生较多的次生裂缝,导致结构刚度下降。

3 围护结构对钢框架结构的抗震贡献

钢结构具有自重轻、易安装、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染小等优点,钢结构现在已成为我国建筑发展的趋势。在钢结构建筑中,,围护结构的选用往往是其推广应用的技术关键。在我国,各类砌体填充墙常不考虑其对框架抗侧力的贡献,然而在实际的受力过程中,由于砌体填充墙与框架梁柱之间的耦连作用,使填充墙框架结构的受力情况与纯框架的受力情况有较大差异。我们应该认清围护体系对钢框架抗侧力性能及改善抗震性能的贡献。

同济大学的李国强等[5]建立了不同外墙材料及安装方法的空间钢框架模型,由模型动力特性数据分析对比可以得出:外挂墙板对模型同方向的刚度提高约63%,带墙板钢框架的阻尼比接近7%;砌体填充墙与空框架模型同方向的刚度比值为3.436,有砌体填充墙钢框架的阻尼比约为3%。可见砌块对结构的刚度贡献要远大于外挂墙板的刚度贡献,但砌块对结构阻尼比的提高不多。建议计算地震作用时,带墙板钢框架的阻尼比可取为5%,而带砌块填充墙钢框架的阻尼比可取为3.5%。

武汉理工大学的管克俭在试验研究的基础上,运用ANSYS有限元中的接触单元建模,对加气混凝土填充墙与钢框架的协同工作性能进行了非线性分析,以期对我国钢结构的推广和应用提供一定的理论依据。从两个刚度退化曲线的比较中可以看出:填充墙与钢框架协同工作,可以阻止钢框架达到屈服后出现刚度的急剧下降,从而使结构在弹塑性阶段保持较大刚度的同时能够充分利用钢构件的不断屈服和墙体的破坏进行抗震耗能。另外,加气混凝土填充墙钢框架具有两个稳定刚度阶段的特点可以使结构利用第一个刚度阶段的破坏充分耗能而又不危及结构自身的安全,从刚度上为结构提供了多道抗震防线,符合抗震设防的原则。同时,从刚度退化曲线最后的下降段可以看出,填充墙钢框架刚度曲线的下降速度比纯钢框架刚度曲线的下降速度要缓慢得多,这说明填充墙的存在可以大幅提高钢框架的安全性能。

4 结语

1)现有外墙材料多种多样,为工程建设提供了多种选择。但是面对多样的新型材料,缺乏统一的标准和系统对其各方面性能的研究,这也影响了新型材料的使用和推广;

2)钢结构选择外围护结构并不是仅仅满足保温隔热要求就可以了,还需要考虑与钢结构的连接形式,即其连接的构造是否是柔性方式;

3)围护结构并不是仅仅对钢框架结构起到外围护的作用,合理的围护结构对结构整体的抗震性能有一定的贡献;

4)应对地震作用下,围护结构和钢结构的共同作用作进一步的研究。不仅是围护结构的耗能贡献,如何保证围护结构不过早的产生裂缝,在地震作用下不倒塌、不破坏也将是今后的研究重点。

参考文献

[1]管一萍.FC轻质复合墙板的应用[J].新型墙体材料与施工,2002(9):9-10.

[2]宋立,许宏武,黄树华.新型钢丝网架复合墙板的研制[J].新型墙体材料与施工,2003(4):34-35.

[3]孙福刚.我国轻型复合板生产概况[J].新型建筑材料,1994(5):12-16.

[4]管克俭.钢结构住宅抗侧力体系试验研究与非线性分析[D].武汉:武汉理工大学博士论文,2001.

浅析建筑围护结构节能设计 篇8

关键词：建筑围护,结构,节能技术

1 建筑围护结构节能技术

1.1 墙体节能

在建筑围护结构中, 墙体在采暖能耗中所占的比例最大, 约占总能耗的32.1%-36.2%, 因此, 如何改善墙体的保温性能成为重中之重。目前, 我国节能住宅的外墙保温划分为内保温、夹心保温、外保温及综合保温四种保温形式, 它们对降低墙体耗热指标都具有良好效果, 但在节能效率上又存在较大的差别。外墙外保温是建设部倡导推广的主要保温形式, 其保温方式最为直接、效果也最好, 是我国目前应用最多的一项建筑保温技术。

1.2 门窗节能

在建筑围护结构的门窗、墙体、屋面、地面四大围护部件中, 门窗的绝热性最差, 是影响室内热环境和建筑节能的主要因素。就我国目前典型的围护部件而言, 门窗的能耗约占建筑围护部件总能耗40%-50%。建筑门窗承担隔绝与沟通室内外这两个互相矛盾的任务。因此, 增加门窗的保温隔热性能, 减少门窗的能耗, 是改善室内热环境质量和提高建筑节能水平的重要环节。

1.2.1 应区别不同朝向控制窗墙比, 尽量

避免东西向开大窗, 提高窗户的遮阳性能, 可用固定式或活动式遮阳。同时加强窗户的气密性, 除了采用气密条, 提高外窗气密水平外, 还应提高窗用型材的规格尺寸、准确度、尺寸稳定性和组装的精确度以增加开启缝隙部位的搭接量, 减少开启缝的宽度达到减少空气渗透的目的。

1.2.2 改善镶嵌部分的保温能力:

其主要方法是设法增加其空间层数和提高镶嵌材料对红外线的反射能力, 以改善其保温性能。

1.2.3 加强窗框部分的保温措施:

其主要方法是对窗框进行断热处理, 用高效保温材料镶嵌于金属窗框之间, 加大窗框的热阻, 或利用空腹钢窗内的空气间层达到增加窗框热阻的目的;同时, 选用导热系数较小的塑料窗框以减少通过窗框部分的热耗。

1.3 屋面节能

屋面节能的原理与墙体节能一样, 通过改善屋面层的热工性能阻止热量的传递。屋面的节能措施要点:一是屋面保温层不宜选用密度较大, 导热系数较高的保温材料, 以免屋面重量、厚度过大;二是屋面保温层不宜选用吸水率较大的保温材料, 以防屋面湿作业时因保温层大量吸水而降低保温效果, 如选用吸水率较高的保温材料, 屋面上应设置排气孔以排除保温层内不易排出的水分。现在, 一些建筑的屋面保温, 采用岩棉板保温层代替常规的沥青珍珠岩或水泥珍珠岩作法, 就克服了常规作法的诸多缺点, 另外诸如酚醛板等高效保温材料己经开始应用于屋面。

2 建筑外墙常见保温材料、构造做法及特点

2.1 保温材料

保温材料对于外墙外保温系统非常重要, 它关系到系统的保温隔热性能, 所以加强利用墙体保温材料对节能是一种很有效的方法。保温材料分为有机、无机、复合三种类型。

有机材料:也称泡沫塑科, 用发泡法制成。采用的发泡材料为高分子化合物或高聚物如聚氨酯硬质泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料等。其主要优势是质量轻、隔热性能好、防水性能好。但致命弱点是防火能力差。

无机材料:由天然矿物质粗加工而成, 从形态上可分为纤维类如玻璃棉、水镁石等, 粒粉类如膨胀珍珠岩、海泡石、石膏等。从应用结构上又可分为单体型与复合型。无机质类总体的优势是防火性能好, 但保温性能不如有机质类。

复合型材料:近几年新兴的一种保温材料, 它是以防辐射吸收材料、岩棉、农作物秸秆甚至是可以利用的具有保温性能并进行过无害化处理后的垃圾、通过发泡方式生产的空心材料等为原材料加工生产的。复合材料的保温隔热效果好, 具有防火阻燃、变形系数小、工程成本低, 而且其原材料来源广泛、能耗低, 可节约资源, 提高资源的循环利用率。但复合材料仍然处于研制开发阶段, 没有市场化。

2.2 常见的构造做法及特点

按组成材料的不同, 外墙保温构造方案主要有两种类型, 单一材料墙体 (外墙自保温) 以及复合材料墙体, 随着建筑的发展以及人们对舒适性要求的提高, 现在广泛采用的是复合材料墙体。复合材料墙体根据保温层位置的不同, 可以分为以下三种形式: (1) 外墙外保温; (2) 外墙内保温; (3) 外墙夹芯保温。

2.2.1 外墙内保温

外墙内保温做法是将保温层做在主体结构靠室内的一侧。外墙内保温优点是: (1) 对饰面和保温材料的防水、耐候性等技术指标的要求不甚高, 纸面石膏板、石膏抹面砂浆等均可满足使用要求, 取材方便; (2) 内保温材料被楼板所分隔, 仅在一个层高范围内施工, 不需搭设脚手架; (3) 在夏热冬冷和夏热冬暖地区, 内保温可以满足要求; (4) 对于既有建筑的节能改造, 特别是目前当房屋卖给个人后, 整栋楼或整个小区统一改造有困难时, 只有采用内保温的可能性大一些。因此, 近几年, 外墙内保温也得到广泛的应用; (5) 由于保温材料热容量小, 室内温度调节较快, 适用于电影院、体育馆等间歇性使用的建筑。

2.2.2 外墙外保温

外墙外保温做法是目前比较常用的外墙节能措施, 其是将保温层放置在主体结构靠室外的一侧。外墙外保温的优点在于: (1) 由于承重层材料位于内侧, 如砖砌体、钢筋混凝土等密实且强度高的材料, 其热容量很大、蓄热性能好, 当供热不均匀时, 围护结构内表面与室内气温不致急剧下降, 房间热稳定性较好, 感觉较为舒适;同时也使太阳辐射得热、人体散热、家用电器及炊事散热等因素产生的“自由热”得到较好的利用, 有利于节能; (2) 对防止或减少保温层内部产生凝结水和防止围护结构的热桥部位内表面局部凝结都有利; (3) 保温层处于结构层外侧, 室外气候变化引起的墙体内部温度变化发生在外保温层内, 使内部的主体墙冬季温度提高, 湿度降低, 温度变化较平缓, 热应力减少, 因而主体墙体产生裂缝、变形、破损的危险大为减轻, 有效地保护了主体结构, 尤其是降低了主体结构内部温度应力的起伏, 提高了结构的耐久性; (4) 当原有房屋的围护结构需加强保温性能时, 外保温施工时对室内使用状况影响不大; (5) 外保温有利于加快施工进度, 室内装修不致破坏保温层; (6) 外保温的综合经济效益很高。

2.2.3 外墙夹芯保温

外墙夹心保温是将保温材料置于外墙的内、外侧两个墙片之间。外墙夹心保温的主要优点是: (1) 对内侧墙片和保温材料形成有效的保护, 对保温材料的选材要求不高, 聚苯乙烯、玻璃棉以及脉醛现场浇注材料等均可使用; (2) 对施工季节和施工条件的要求不十分高, 不影响冬期施工。在黑龙江、内蒙古、甘肃北部等严寒地区曾经得到一定的应用; (3) 对于供暖建筑而言, 冬季室内热稳定性较好; (4) 对建筑主体能起一定保护作用, 能够延长结构的使用寿命, 提高墙体使用的耐久性。

外墙夹心保温的主要缺点是: (1) 在非严寒地区, 此类墙体与传统墙体相比尚偏厚; (2) 内、外侧墙片之间需有连接件连接, 构造较传统墙体复杂; (3) 外围护结构的“热桥”较多。在地震区, 建筑中圈梁和构造柱的设置, “热桥”更多, 保温材料的效率仍然得不到充分的发挥; (4) 墙体内部容易产生凝结水; (5) 外侧墙片受室外气候影响大, 昼夜温差和冬夏温差大, 容易造成墙体开裂和雨水渗漏。

参考文献

[1]付云松.建筑节能与外墙保温技术[J].土木建筑教育改革理论与实践, 2009-08-01.

[2]沈振岳, 脱红勇, 罗星.建筑节能工程施工质量监控[J].建筑技术, 2011-04-15.