基于ANSYS的T型地连墙结构力学特性分析

2018-01-16吴舒海

水利科学与寒区工程 2017年12期

陆雯，张旭，吴舒海

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏扬州 225127；2.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏苏州 215000)

T型地连墙支护结构是在传统地连墙基础上改进而来，通过在地连墙墙面后增设扶臂而形成的T型梁式结构。与内支撑式、拉锚式等支护结构相比，T型地连墙支护结构具有占用场地少、施工方便、施工工期短等优点。本文结合新沟河江边枢纽工程实例，对枢纽单双向泵间地面开挖高差为7.8 m的T型地连墙进行结构内力分析。T型地连墙属于悬臂式支护结构，对于这种支护结构的计算理论，根据基坑内外土压力分布及桩端固嵌情况的不同假定，大致分为以下3种[1]：①静力平衡法；②弹性地基梁法；③有限单元法。针对本工程案例，本文采用后两种方法分别对T型结构的内力、形变和应力分布进行计算。首先，根据抗弯刚度等效的原理，提出一种将T型地连墙置换成矩形截面后运用弹性地基梁法(m法)计算内力的简化方法。其次，再运用ANSYS软件对T型结构建模，进行三维有限元计算。

1 弹性地基梁计算方法与过程

新沟河江边枢纽T型地连墙墙面板厚度60 cm，墙后每隔3 m设一道60 cm厚扶臂。计算时取T型地连墙两扶壁中点为分界线，3.6 m宽地连墙为单元体，计算结构受力情况。为简化计算，将T型结构等刚度替换为矩形地连墙结构，如图1所示。T型结构抗弯刚度：

(1)

式中：WT型为T型结构悬臂桩抗弯刚度，m3；B为单元体宽度，取B=3.6 m；H为换算同刚度矩形截面高度，m。

图1 等刚度换算矩形截面梁(单位：cm)

弹性地基梁法是现行规范推荐的内力计算方法，该方法同时考虑了支护结构的平衡条件以及结构自身与土体的协调变形，且经过多年工程实践的积累，在地基土水平抗力系数m的取值方面有了一定的经验，现已成为被工程实际运用最广泛的设计方法。基坑工程弹性地基梁法取单位宽度支护结构为单元体，作为竖向放置的弹性地基梁。基坑内侧土体视为土弹簧，土体对支护结构的水平抗力由土弹簧模拟，土抗力仅与支护结构形变有关[2]。计算简图如图2所示。

图2 弹性地基梁计算模型

m法土体对支护结构的抗力为：

F=mzy

(2)

式中：m为水平抗力系数的比例系数，MN/m4；z为地面以下深度，m；y为计算点处支护结构水平位移，m。

基坑开挖面以下弹性地基梁挠曲微分方程为：

(3)

式中：EI为支护结构的抗弯刚度，kN·m2；y为支护结构的水平位移，m；z为计算深度，m；ea(z)为计算深度处的荷载强度，包括水平抗力及外荷载，kN；m为水平抗力系数的比例系数，MN/m4；b为计算宽度，m。

对于悬臂式支护结构，可以将开挖面以上水平外荷载等效为开挖面处的水平集中荷载以及力矩，参照《建筑桩基技术规范》得出开挖面以下部分的内力及位移，并根据内力协调变形原理，得到桩顶最大位移。新沟河延伸拓浚工程江边枢纽工程由净宽48 m节制闸、180 m3/s泵站、Ⅴ级船闸以及鱼道组成。其中,单双向泵间地面开挖高差较大，最大挡土高差为7.8 m，采用T型地连墙支护，地连墙入土长度17 m，墙面板厚度60 cm，墙后每隔3 m设置一道60 cm厚的扶臂。工程场地土层参数详见表1。

表1 土层分布和物理力学指标统计表

根据计算模型和方法，对新沟河江边枢纽T型地连墙支护进行内力、变形计算。经计算桩身最大弯矩5500 kN·m，桩顶最大位移11.4 mm，并根据内力计算结果按T型梁配置截面钢筋。计算结果汇总表见表2，内力沿地连墙入土方向分布及T型结构配筋如图3所示。

表2 地连墙结构计算结果汇总表

2 有限单元法数值模拟

ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，在土木工程领域应用广泛。有限单元法分析过程大体分为以下几个步骤：(1)将研究对象离散化。即将给定的连续体划分为有限个微小单元体，单元体直接通过节点连接，各单位体的有关参数通过连接节点具有连续性。(2)根据虚功原理，通过单位刚度矩阵建立节点力与节点位移的平衡方程。(3)通过单元平衡方程，建立整体结构的平衡方程。这个过程包括以下两个方面：一是将单位刚度矩阵转换成整体刚度矩阵；二是将作用于每个单元上的节点力转换成总的荷载列阵。从而得到整体平衡方程：[K]{δ}=[R]。(4)引入几何边界条件，计算未知节点位移矢量。(5)由节点位移矢量计算单元应力。

图3 地连墙弯矩及配筋图(单位：cm)

钢筋混凝土T型地连墙选择SOLID65实体单元，地基土选用SOLID45实体单元。地基土层材料定义根据表1所示的地质资料确定，其中地基土选择ANSYS提供的D-P弹塑性地基模型来模拟(Drucker-Prager模型根据D-P屈服准则定义土体性质，运用胡克定律求解弹性变形，塑性理论求解塑性变形，叠加求得总变形量)[3-4]。通过外部导入实体模型的方式将已经建好的三维模型导入ANSYS软件中进行网格划分，如图4所示。

图4 T型地连墙实体模型

网格划分采用四面体单元，并应用程序提供的智能化控制(SMRTSIZE)的智能网格对实体模型进行划分，如图5所示。

图5 T型地连墙实体模型

网格划分完成后，对模型定义边界条件和初始条件，并加载墙后水压力，而后进行计算，通过ANSYS自带的后处理程序查看计算结果，T型地连墙第一主应力计算结果如图6所示，墙身形变计算结果如图7所示。

由计算结果可知，T型截面顶部拉应力最大，最大值约为0.3 MPa；应力变化随地连墙埋深深度向下逐渐减小，并逐渐转化为压应力。从结构受力角度分析，支护结构下部截面具有优化余地。由图7，T型地连墙墙身变形云图可知，桩顶最大位移约为2.6 mm，小于传统弹性地基梁法计算的11 mm的计算结果。由此可知，采用传统计算方法所计算出的结果是偏保守和安全的。