郭峰(北京桑德環(huán)境工程有限公司 北京 101102)
沉井結(jié)構(gòu)形式由于施工時(shí)占地面積小、對(duì)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(diǎn),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(hù)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(gè)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(gè)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(jì)計(jì)算也相應(yīng)的必須按從施工到使用的各個(gè)階段分別進(jìn)行,從而保證沉井能夠滿足強(qiáng)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(jì)為例,比較和討論了沉井下沉階段井壁通常使用的表格計(jì)算法與采用佳構(gòu)STRAT軟件整體建模計(jì)算法,選取最不利工況對(duì)二者的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,得出了結(jié)論。
項(xiàng)目為利民河截污調(diào)蓄工程中的調(diào)蓄池,項(xiàng)目位于江蘇省淮安市。這個(gè)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(bào)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。
本工程整體為外協(xié)單位所設(shè)計(jì),圖紙需拿到我單位進(jìn)行圖審。本文將結(jié)合此次圖紙校審的過程對(duì)沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。
第一版圖紙的剖面配筋圖詳見圖3。
根據(jù)地勘報(bào)告,項(xiàng)目所在地區(qū)地下水位較高,建議抗浮水位為場(chǎng)坪標(biāo)高下0.5m。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)說明中明確此沉井為不排水下沉,按工程經(jīng)驗(yàn)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(jì)的壁厚及配筋遠(yuǎn)遠(yuǎn)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
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(jìn)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。
形成框架體系的第二版圖紙基本符合了設(shè)計(jì)原則,滿足工程經(jīng)驗(yàn)要求,在此基礎(chǔ)上對(duì)這個(gè)調(diào)蓄池單體進(jìn)行進(jìn)一步的校核分析。
原設(shè)計(jì)修改后的剖面配筋詳見圖6。
外協(xié)設(shè)計(jì)單位提供了計(jì)算書。一般沉井計(jì)算按《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[1]中的規(guī)定進(jìn)行。在葛春輝所著《鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工手冊(cè)》[2]中有較為詳細(xì)的計(jì)算過程及算例。另外,還有《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)(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(jì)算方法。但上述資料中的算例均為單格小型沉井,對(duì)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(jì)算量較大,特別是對(duì)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(jì)算。外協(xié)單位所采用的即是上述方法。對(duì)于采用梁柱對(duì)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(jìn)行了計(jì)算。這樣忽略了沉井各個(gè)區(qū)格之間的相互作用,而且對(duì)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(jì)算的最大內(nèi)力處為刃腳根部以上一段井壁范圍(通??紤]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(jì)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
要想較為準(zhǔn)確的對(duì)其進(jìn)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(duì)沉井直接進(jìn)行計(jì)算分析的結(jié)構(gòu)程序。對(duì)此只能把沉井結(jié)構(gòu)在制作、下沉到竣工投入使用各個(gè)階段的具體工況,與通用有限元軟件結(jié)合起來進(jìn)行考慮。沉井設(shè)計(jì)主要需要驗(yàn)算的內(nèi)容為:
(1) 下沉驗(yàn)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(yàn)算。避免沉井下沉過程中產(chǎn)生斷裂;
(3) 土體穩(wěn)定性驗(yàn)算。如果沉井為頂管工作井,需驗(yàn)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(jì)算書
(4) 井壁內(nèi)力計(jì)算與配筋。需驗(yàn)算沉井下沉、封底、頂管以及使用各個(gè)階段的井壁受力情況,并進(jìn)行相應(yīng)的配筋;
本項(xiàng)目為調(diào)蓄池,無需考慮頂管力的作用影響。在前三項(xiàng)計(jì)算內(nèi)容中,前文所提到的規(guī)程、手冊(cè)中已提供了較為簡(jiǎn)明的計(jì)算方法,此處不再贅述。以下主要介紹佳構(gòu)STRAT在對(duì)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(jìn)行內(nèi)力的有限元計(jì)算分析,對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。
佳構(gòu)STRAT計(jì)算軟件對(duì)于水池類構(gòu)筑物三維建模、加荷、剖分、計(jì)算、輸出都比較方便。下面對(duì)佳構(gòu)STRAT建模計(jì)算的主要步驟進(jìn)行分述:
3.2.1 單元模擬與網(wǎng)格剖分
佳構(gòu)STRAT計(jì)算軟件對(duì)池壁采用“超元”進(jìn)行模擬,網(wǎng)格剖分在屬性中設(shè)置之后會(huì)在后續(xù)計(jì)算中自動(dòng)形成,不必重復(fù)操作。模型建立過程中,比較重要的是對(duì)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(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)工況進(jìn)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(jìn)行水、土壓力的布置。
3.2.4 整體計(jì)算
建模完成之后運(yùn)行“單元整合”命令,對(duì)模型進(jìn)行檢查,檢查無誤后生成計(jì)算模型(詳見圖8),運(yùn)行STRAT計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算分析。
圖8 整體模型
沉井下沉至設(shè)計(jì)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(shí)沉井外荷載達(dá)到最大,并且尚未進(jìn)行封底,各井壁處于單向受力狀態(tài)。下面重點(diǎn)對(duì)此工況進(jìn)行計(jì)算分析,與手算結(jié)果對(duì)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(zhǎng)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(duì)井壁的應(yīng)力云圖進(jìn)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(diǎn)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(jì)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(duì)比手算得到的計(jì)算數(shù)值,發(fā)現(xiàn)井壁手算結(jié)果總體大于整體建模計(jì)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(duì)值,正負(fù)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(jìn)而從整體建模的計(jì)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(gè)井壁間并非獨(dú)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(duì)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(jì)要求。但同時(shí)也說明手算結(jié)果也有一定的優(yōu)化空間。
對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)的梁柱計(jì)算在外協(xié)單位的計(jì)算書中并未體現(xiàn),所配鋼筋應(yīng)該是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)附加簡(jiǎn)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
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(jìn)行較復(fù)雜沉井設(shè)計(jì)時(shí),通過STRAT軟件整體建模分析,大大提高了計(jì)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(jì)提供直觀的計(jì)算結(jié)果依據(jù)。筆者結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)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(duì)手算結(jié)果的校核,指出了近似手工計(jì)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(shí)際不同,另外計(jì)算結(jié)果偏于保守,存在優(yōu)化空間。所以可以說,在設(shè)計(jì)沉井結(jié)構(gòu)時(shí),還應(yīng)優(yōu)先采用空間整體模型進(jìn)行計(jì)算,以確保結(jié)構(gòu)的安全,并且提高經(jīng)濟(jì)效益。