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第 １２ 卷 第 １ 期 ２０１６ 年 ２ 月 地下空间与工程学报 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 混凝土内支撑结构温度效应三维数值分析 Ｖｏｌ １２ Ｆｅｂ ２０１６ 彭全敏１ 王沛２ 刘琦３ １ 天津城建大学 土木工程学院 天津 ３００３８４ ２ 天津城建大学 地质与测绘学院 天津 ３００３８４ ３ 天津市建筑设计院 天津 ３０００７４ 摘 要 随着极端天气气候的频现 温度变化对基坑支撑结构的影响越来越不容忽视 为 考虑基坑支护体系的空间效应 本文在空间杆单元协调模型基础上 采用三维有限元数值模拟 的方法 研究了水土压力荷载 含支撑自重 和变温作用下内支撑结构的内力与变形 数值分 析结果表明 支撑主要受轴力 弯矩和剪力共同作用 其中轴向压力最大 局部杆件根部有较大 弯矩 升温增大支撑结构的内力 对轴向压力影响较大 降温增大支护结构的变形 对坑顶水平 位移影响较大 支撑结构内力随温度呈线性变化 在升温和降温阶段 内力变化率不同 关键词 基坑 支护体系 空间效应 温度 数值分析 中图分类号 ＴＵ４７３ 文献标识码 Ａ 文章编号 １６７３ ０８３６ ２０１６ ０１ ０１０７ ０７ ３Ｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｂｒａｃｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｅｎｇ Ｑｕａｎｍｉｎ １ Ｗａｎｇ Ｐｅｉ ２ Ｌｉｕ Ｑｉ ３ １ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｃｈｅｎｇｊｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８４ Ｐ Ｒ Ｃｈｉｎａ ２ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｃｈｅｎｇｊｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８４ Ｐ Ｒ Ｃｈｉｎａ ３ Ｔｉａｎｊｉｎ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７４ Ｐ Ｒ Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｔ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ｅｘｔｒｅｍｅ ｃｌｉｍａｔｅｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｎ ｂｒａｃｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅｃｏｍｅｓ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ Ｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａ ｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｒａｃｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ ｗａｔｅｒ ｅａｒｔｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｗｉｔｈ ｓｅｌｆ ｗｅｉｇｈｔ ｏｒ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｎｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ Ｓｅｖｅｒａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｓｈｅａｒｓ ａｃｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｂｒａｃｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｏｔｓ ｏｆ ｓｏｍｅ ｂｒａｃｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ｏｂｖｉｏｕｓ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ Ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｅ ｍａｙ ａｕｇｍｅｎｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｃｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅｓ ｈｏｗｅｖｅｒ ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｏｐ ｍａｙ ｅｎｌａｒｇｅ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ａｔ ｔｈｅ ｔｏｐ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｃｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｂｕｔ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｒａｔｅ ｉｓ ｅｖｉｄｅｎｔｌｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｅ ａｎｄ ｉｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｏｐ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｓｐａｃｅ ｅｆｆｅｃｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ 内力和变形的原因除了土压力和水压力等荷载外 １ 引 言 还有温度变化 混凝土收缩与徐变等非荷载因素 内撑式支护体系是深厚软土地区一种常用的 基坑支护型式 其中支撑结构的强度与变形计算是 基坑工程设计中的关键技术之一 引起支撑结构 大量的基坑工程实践发现 １ ５ 温度剧变是引起支 撑结构轴力和位移变化的主要原因之一 支撑轴力 监测结果有时一夜之间增加 ３０ １ 在同一天的 收稿日期 ２０１５ ０７ ０８ 修改稿 作者简介 彭全敏 １９７５ 女 湖北宜昌人 博士 讲师 主要从事混凝土结构工程领域的教学与科研工作 Ｅ ｍａｉｌ ｅａｓｅ ｐ １２６ ｃｏｍ 基金项目 天津市高等学校科技发展基金计划项目 ２０１２０９１１ 天津市建交委科技项目 ２０１３ ２６

08 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 2 卷 不 同 时 刻 最 大 差 值 可 达 500 kn 左 右 [4] 如 今 随 着 极 端 天 气 气 候 的 频 现, 温 度 变 化 对 基 坑 支 撑 结 构 的 影 响 越 来 越 不 容 忽 视 建 筑 基 坑 支 护 技 术 规 程 规 定 计 算 基 坑 支 护 系 统 时, 应 考 虑 温 度 变 化 的 影 响, 然 而 现 行 相 关 规 范 并 未 提 供 具 体 的 计 算 方 法 [6] 胡 蒙 达 采 用 平 面 热 弹 性 力 学 的 应 力 解 法, 推 导 了 钢 支 撑 的 热 应 力 和 相 应 轴 力 变 化 的 计 算 式, 但 需 已 知 变 温 引 起 的 支 撑 变 形 值, 难 以 考 虑 土 体 压 [7] 缩 等 更 多 因 素 的 影 响 Boone 等 在 基 坑 观 测 数 据 的 基 础 上, 提 出 了 对 称 开 挖 条 件 下 的 支 撑 温 度 荷 [8] 载 计 算 式, 随 后 Hashash 等 在 Boone 等 的 方 法 上, 提 出 了 考 虑 支 撑 围 护 墙 土 系 统 刚 度 的 支 撑 温 度 荷 载 计 算 方 法 郑 刚 等 [9] 吴 明 等 [0] 艾 智 勇 [] 等 利 用 弹 性 抗 力 法, 先 后 分 别 对 维 护 桩 加 一 道 水 平 支 撑 加 多 道 水 平 支 撑 以 及 连 续 墙 加 多 道 水 平 支 撑 的 基 坑 支 护 系 统 提 出 了 考 虑 围 护 体 系 支 撑 和 土 体 相 互 作 用 的 支 撑 温 度 轴 力 近 似 简 化 分 析 方 法 [2] 陆 培 毅 等 按 平 面 应 变 问 题, 用 有 限 元 法 计 算 了 基 坑 开 挖 过 程 中 支 撑 的 温 度 应 力 上 述 文 献 侧 重 于 升 温 工 况 引 起 的 轴 力 研 究, 计 算 时 均 将 支 撑 简 化 为 一 维 杆 件, 将 基 坑 简 化 为 平 面 应 变 问 题 进 行 分 析, 而 实 际 基 坑 是 一 个 三 维 空 间 结 构, 基 坑 控 制 已 由 强 度 转 向 变 形, 降 温 工 况 引 起 的 变 形 值 得 关 注 为 考 虑 基 坑 支 护 体 系 的 空 间 效 应, 本 文 采 用 三 维 有 限 元 数 值 模 拟, 分 析 升 温 和 降 温 对 混 凝 土 内 支 撑 结 构 内 力 与 变 形 的 影 响 规 律, 以 期 对 基 坑 工 程 的 设 计 与 施 工 控 制 提 供 科 学 依 据 2 有 限 元 模 型 2. 基 坑 工 程 概 况 某 矩 形 基 坑 长 92.4 m, 宽 37.2 m, 深 8.65 m, 采 用 钻 孔 灌 注 桩 加 一 道 钢 筋 混 凝 土 水 平 支 撑 支 护, 混 凝 土 强 度 等 级 为 C30, 基 坑 支 护 结 构 的 平 面 布 置 和 典 型 剖 面 如 图 (a) 所 示 钻 孔 灌 注 桩 为 Ф700@ 900, 长 6 m, 插 入 坑 底 9 m, 对 撑 DCH 斜 撑 CH 和 斜 撑 CH2 的 截 面 分 别 为.4 m 0.7 m.0 m 0.7 m 和 0.7 m 0.7 m, 地 下 水 位 位 于 地 面 以 下.6 m 混 凝 土 支 撑 施 工 完 毕 且 基 坑 挖 土 至 坑 底 时, 围 护 桩 的 锚 固 长 度 最 小 土 压 力 最 大, 故 取 此 时 遭 遇 变 温 为 最 不 利 工 况 进 行 数 值 分 析 2.2 有 限 元 模 型 基 坑 支 护 结 构 常 用 的 有 限 元 计 算 模 型 有 : 平 面 框 架 模 型 空 间 杆 单 元 协 调 模 型 和 考 虑 土 体 单 元 在 图 基 坑 支 护 结 构 布 置 及 水 土 压 力 分 布 Fig. Arrangement plan and water & earth pressure of the retaining system 内 的 二 维 或 三 维 协 调 模 型 前 两 种 模 型 都 基 于 弹 性 地 基 梁 法, 但 平 面 框 架 模 型 在 第 一 步 求 得 的 支 撑 结 点 处 的 排 桩 位 移 与 第 二 步 求 得 的 相 应 支 撑 位 移 往 往 不 相 等, 是 不 协 调 模 型 [3,4], 目 前 用 得 较 少 第 三 种 模 型 采 用 连 续 介 质 有 限 元 法, 它 能 考 虑 土 围 护 结 构 支 撑 结 构 三 者 的 相 互 作 用, 但 存 在 土 的 本 构 关 系 及 计 算 参 数 难 确 定, 复 杂 基 坑 支 护 体 系 建 模 困 难 计 算 稳 定 性 较 差 等 问 题 [4] 空 间 杆 单 元 协 调 模 型 将 围 护 结 构 与 支 撑 组 成 一 个 空 间 结 构 体 系 共 同 建 立 到 计 算 模 型 中, 将 土 体 考 虑 为 坑 内 土 弹 簧 和 坑 外 水 土 压 力, 可 模 拟 支 护 结 构 之 间 以 及 结 构 与 土 之 间 的 受 力 平 衡 和 位 移 协 调, 而 分 析 中 所 需 参 数 单 一, 计 算 简 便 本 文 在 空 间 杆 单 元 协 调 模 型 基 础 上, 利 用 结 构 与 荷 载 的 对 称 性, 采 用 ANSYS 软 件 对 图 所 示 的 基 坑 支 护 结 构 建 立 / 4 三 维 有 限 元 模 型 如 图 2 所 示 钢 筋 混 凝 土 围 护 桩 按 等 刚 度 原 则 等 效 为 地 下 连 续 墙, 用 空 间 壳 单 元 shell93 模 拟, 坑 内 开 挖 面 以 上 的 支 撑 用 空 间 梁 单 元 beam89 模 拟 基 坑 内 外 土 体 视 为 弹 性 地 基, 采 用 水 平 土 弹 簧 以 只 受 压 不 受 拉 的 空 间 杆 单 元 link0 模 拟, 其 地 基 水 平 基 床 系 数 k s 按 m 法 计 算 取 值,m 值 取 4 000

206 年 第 期 彭 全 敏, 等 : 混 凝 土 内 支 撑 结 构 温 度 效 应 三 维 数 值 分 析 09 kn m -4 土 弹 簧 与 围 护 结 构 支 撑 杆 件 同 时 建 立 到 计 算 模 型 中, 计 算 时 基 坑 内 外 的 土 弹 簧 将 根 据 支 护 结 构 的 位 移 情 况 计 算 其 内 力 并 判 断 是 否 有 效 Fig. 2 图 2 基 坑 支 护 结 构 有 限 元 模 型 Finite element model of the retaining system 基 坑 外 侧 水 土 压 力 分 布 模 式 采 用 基 于 建 筑 基 坑 支 护 技 术 规 程 的 水 土 分 算 模 式 [5], 开 挖 面 以 上 为 三 角 形 分 布, 开 挖 面 以 下 为 矩 形 分 布, 如 图 (b) 所 示 鉴 于 排 桩 墙 体 大 部 分 埋 于 坑 底, 开 挖 面 以 上 部 分 仅 一 面 外 露, 故 忽 略 环 境 温 度 变 化 对 其 影 响, 变 温 仅 引 起 支 撑 热 应 变, 该 效 应 可 等 效 为 体 荷 载 施 加 给 支 撑 构 件 温 度 荷 载 的 有 限 元 表 达 式 为 : P εt = e Ω B T Dε t dω () ε t = α t ΔT [,,,0,0,0] T (2) 式 中 :B T 为 应 变 矩 阵 ;D 为 弹 性 矩 阵 ;ε t 为 热 应 变 ; α t 为 材 料 的 线 性 热 膨 胀 系 数 ;ΔT 为 温 度 变 化 基 坑 施 工 过 程 中, 围 护 结 构 的 变 形 主 要 受 水 平 力 影 响, 为 简 化 计 算, 本 文 不 考 虑 围 护 结 构 自 重, 但 支 撑 结 构 为 研 究 重 点, 其 自 重 在 水 土 压 力 作 用 工 况 时 一 并 考 虑 计 算 时 假 定 支 护 结 构 为 线 弹 性 体 ; 作 用 于 支 撑 的 温 度 场 均 匀, 混 凝 土 热 膨 胀 系 数 取 α t =.0 0-5 ; 支 撑 在 格 构 柱 支 点 处 的 竖 向 位 移 简 化 为 零, 支 撑 与 围 护 结 构 固 结, 围 护 结 构 底 部 竖 向 位 移 为 零 ; 考 虑 工 程 施 工 质 量 和 混 凝 土 微 裂 缝 工 作 情 况, 混 凝 土 弹 性 模 量 取 为 标 准 值 乘 以 折 减 系 数 0.8 有 限 元 模 拟 分 两 个 荷 载 步 进 行, 第 一 步 水 土 压 力 作 用 ( 含 支 撑 自 重 ) 工 况, 第 二 步 水 土 压 力 与 温 度 共 同 作 用 工 况 本 文 计 算 升 温 0 20, 降 温 0 20 四 种 情 况 3 计 算 结 果 与 分 析 3. 水 土 压 力 作 用 工 况 水 土 压 力 工 况 下, 基 坑 支 护 结 构 整 体 位 移 计 算 结 果 见 图 3(a) 支 护 结 构 在 水 土 压 力 和 支 撑 自 重 作 用 下 发 生 向 坑 内 的 水 平 位 移, 角 部 与 底 部 位 移 较 小 而 中 部 较 大, 最 大 值 2.6 mm 位 于 纵 墙 角 撑 CH 与 斜 撑 CH2 之 间, 因 CH2 的 截 面 小 于 CH, 位 移 最 大 值 更 靠 近 CH2, 且 距 坑 底.5 m 支 护 结 构 坑 顶 最 大 水 平 位 移 为 8.2 mm, 位 于 纵 墙 对 称 边 界 处, 纵 墙 变 形 程 度 与 范 围 略 大 于 横 墙 提 取 与 基 坑 工 程 测 斜 管 CX4( 横 墙 ) CX6( 纵 墙 ) 同 位 置 处 围 护 结 构 的 水 平 位 移 计 算 值, 并 与 实 测 值 对 比 于 图 3 (b) 由 图 3( b) 可 知, 计 算 位 移 曲 线 与 实 测 位 移 曲 线 均 呈 鱼 腹 状,CX4 CX6 计 算 位 移 的 最 大 值 分 别 为 7.6 mm 和 2.5 mm, 位 于 -6 m 和 -5.5 m, 实 测 位 移 最 大 值 分 别 为 9.4 mm 和 24. 5 mm, 位 于 -7 m 和 -6.5 m 由 于 为 简 化 计 算, 有 限 元 模 拟 所 取 的 土 压 力 和 m 值 与 实 际 基 坑 工 程 性 质 有 一 定 出 入, 计 算 值 与 实 测 值 存 在 一 定 误 差, 但 模 拟 结 果 基 本 反 映 出 与 实 际 工 程 相 同 的 规 律 图 3 水 土 压 力 作 用 下 支 护 结 构 的 位 移 Fig.3 Displacement of the retaining structure under water & earth pressure 有 限 元 计 算 结 果 显 示, 在 支 撑 自 重 及 围 护 结 构 传 来 的 水 土 压 力 作 用 下, 支 撑 结 构 主 要 受 轴 力 弯

0 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 2 卷 矩 和 剪 力 共 同 作 用, 内 力 分 布 详 见 图 4 所 有 支 撑 杆 件 均 受 压, 轴 向 压 力 最 大 为 3 470 kn, 发 生 在 对 撑 DCH 中 跨, 其 次 为 584 ~ 552 kn 发 生 在 角 撑 CH 和 对 撑 DCH 两 侧 的 斜 撑 CH2, 轴 向 压 力 最 小 为 887 kn 发 生 在 角 撑 CH2 角 撑 CH CH2 弯 矩 很 小, 弯 矩 较 大 值 发 生 在 对 撑 及 其 两 侧 斜 撑 的 根 部, 对 撑 根 部 弯 矩 最 大 剪 力 较 大 值 发 生 在 对 撑 DCH 的 根 部, 角 撑 CH 和 CH2 的 剪 力 几 乎 为 零 图 4 水 土 压 力 作 用 下 支 撑 结 构 的 内 力 Fig.4 Internal force of the bracing system under water & earth pressure 3.2 水 土 压 力 与 温 度 共 同 作 用 工 况 升 降 温 0 与 升 降 温 20 对 支 护 结 构 位 移 及 支 撑 结 构 内 力 的 影 响 规 律 相 同, 在 此 以 升 降 温 20 为 例, 对 数 值 模 拟 结 果 进 行 温 度 效 应 分 析 水 土 压 力 与 变 温 20 共 同 作 用 工 况 下, 支 护 结 构 发 生 的 位 移 与 水 土 压 力 作 用 下 的 位 移 相 似, 整 体 发 生 向 坑 内 的 水 平 位 移, 位 移 云 图 如 图 5 所 示 升 温 20 使 支 撑 杆 件 受 热 伸 长, 导 致 支 护 结 构 上 部 发 生 向 坑 外 的 水 平 位 移, 中 部 发 生 向 坑 内 的 微 小 水 平 位 移, 该 效 应 抵 消 了 水 土 压 力 在 坑 顶 引 起 的 部 分 变 形, 使 坑 顶 水 平 位 移 有 所 减 小, 而 坑 内 最 大 水 平 位 移 值 由 2.6 mm 微 增 为 2.7 mm, 位 置 较 水 土 压 力 工 况 略 向 基 坑 角 部 偏 移, 距 坑 底 仍 然.5 m 降 温 20 使 支 撑 杆 件 缩 短, 导 致 支 护 结 构 由 上 至 下 发 生 向 坑 内 渐 小 的 水 平 位 移, 该 效 应 与 水 土 压 力 效 应 一 致, 二 者 叠 加 使 得 最 大 水 平 位 移 值 增 大 到 23.9 mm, 其 位 置 移 至 纵 墙 对 称 边 界 中 部, 距 坑 底 2 m 温 度 与 水 土 压 力 共 同 作 用 情 况 下, 支 护 结 构 坑 顶 最 大 水 平 位 移 仍 位 于 纵 墙 对 称 边 界 处, 遭 遇 升 降 温 20 时 坑 顶 最 大 位 移 分 别 为 6. 5 mm 和 4.4 mm 为 便 于 比 较, 图 6 给 出 了 沿 P P2 两 条 路 径 ( 见 图 3( a)) 提 取 的 各 种 作 用 下 围 护 结 构 水 平 位 移 随 深 度 的 变 化, 其 中 水 土 压 力 工 况 下 支 护 结 构 最 大 位 移 点 沿 围 护 结 构 深 度 方 向 为 路 径 P, 水 土 压 力 工 况 下 支 护 结 构 坑 顶 最 大 位 移 点 沿 围 护 结 构 深 度 方 向 为 路 径 P2 由 图 6 可 知, 升 温 对 围 护 结 构 的 位 移 影 响 不 大, 其 引 起 的 位 移 增 量 不 超 过 3 mm, 此 时 水 土 压 力 下 的 坑 顶 最 大 水 平 位 移 由 8.2 mm 减 小 到 6.5 mm( 图 6 ( b)); 降 温 对 围 护 结 构 的 位 移 影 响 较 大, 顶 部 尤 为 明 显, 随 深 度 的 增 大 影 响 渐 小, 水 土 压 力 下 的 坑 顶 最 大 水 平 位 移 由 8.2 mm 增 大 到 4.4 mm, 位 移 增 量 6. mm 若 根 据 位 移 协 调, 简 单 按 ΔL = α t ΔT L(ΔL,L 分 别 为 杆 件 长 度 增 量 和 原 长,ΔT 为 温 度 增 量,α t 为 混 凝 土 线 性 热 膨 胀 系 数 ) 估 算 降 温 20 时 对 撑 DCH 处 围 护 结 构 的 水 平 位 移, 则 ΔL = 7.4 mm 大 于 考 虑 支 护 结 构 整 体 刚 度 和 空 间 效 应 后 的 位 移 值 对 比 图 6(a) 6 (b) 还 可 知, 围 护 结 构 在 某 种 作 用 下 沿 基 坑 不 同 位 置 深 度 方 向 的 位 移 曲 线 相 似, 但 量 值 略 有 不 同, 因 温 度 作 用 仅 影 响 支 撑 结 构, 且 降 温 时 支 撑 变 形 较 自 由, 故 降 温 作 用 在 坑 顶 不 同 位 置 处 引 起 的 位 移 区 别 较 明 显, 水 土 压 力 与 降 温 20 共 同 作 用 下,P P2 路 径 在 坑 顶 的 水 平 位 移 分 别 为 2.2 mm 和 4.4 mm

206 年 第 期 彭 全 敏, 等 : 混 凝 土 内 支 撑 结 构 温 度 效 应 三 维 数 值 分 析 图 5 水 土 压 力 与 温 度 共 同 作 用 下 支 护 结 构 的 位 移 矢 量 合 Fig.5 Displacement of the retaining structure under water & earth pressure together with temperature variation 图 7 水 土 压 力 与 温 度 共 同 作 用 下 支 撑 结 构 的 轴 力 Fig.7 Axial force of the bracing system under water & earth pressure together with temperature variation 图 6 沿 不 同 路 径 各 工 况 下 围 护 结 构 水 平 位 移 随 深 度 的 变 化 Fig.6 Horizontal displacement of the retaining structure along different paths 水 土 压 力 与 温 度 共 同 作 用 工 况 下, 基 坑 支 撑 结 构 的 轴 力 弯 矩 和 剪 力 分 别 如 图 7 图 9 所 示 由 于 温 度 作 用 产 生 的 内 力 小 于 水 土 压 力 产 生 的 内 力, 两 种 荷 载 共 同 作 用 后 的 内 力 分 布 仍 与 水 土 压 力 作 用 下 的 内 力 分 布 相 似 图 8 水 土 压 力 与 温 度 共 同 作 用 下 支 撑 结 构 的 弯 矩 Fig.8 Bending moment of the bracing system under water & earth pressure together with temperature variation

2 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 2 卷 压, 与 水 土 压 力 荷 载 产 生 的 效 应 一 致, 二 者 共 同 作 用 下 支 撑 结 构 的 最 大 轴 向 压 力 增 大 到 5 030 kn; 降 温 时 杆 件 缩 短 而 受 拉, 与 水 土 压 力 荷 载 产 生 的 效 应 相 反, 二 者 共 同 作 用 下 支 撑 结 构 的 最 大 轴 向 压 力 减 小 到 3 340 kn 同 理, 升 温 在 支 撑 结 构 中 产 生 的 弯 矩 和 剪 力 与 水 土 压 力 荷 载 效 应 相 同, 从 而 使 原 本 承 受 水 土 压 力 荷 载 的 支 撑 结 构 的 弯 矩 和 剪 力 进 一 步 增 大 ; 降 温 产 生 的 弯 矩 和 剪 力 与 水 土 压 力 荷 载 效 应 相 反, 即 内 力 方 向 相 反, 故 而 减 小 了 水 土 压 力 荷 载 下 支 撑 结 构 的 弯 矩 和 剪 力 3.3 支 撑 结 构 内 力 对 比 分 析 图 9 水 土 压 力 与 温 度 共 同 作 用 下 支 撑 结 构 的 剪 力 支 撑 结 构 在 各 种 作 用 下 的 主 要 内 力 汇 总 于 表 由 表 可 知, 在 自 重 水 土 压 力 和 温 度 作 用 下, 支 撑 结 构 主 要 承 受 轴 力, 除 降 温 作 用 以 外, 所 有 杆 件 均 轴 向 受 压 其 次, 支 撑 杆 件 受 弯, 结 合 图 4(b) 可 知, 水 土 压 力 产 生 的 弯 矩 将 在 对 撑 DCH 根 部 的 上 下 边 缘 引 起 较 大 正 应 力, 其 效 应 也 不 容 忽 视 相 同 变 温 幅 度 条 件 下, 升 温 在 支 撑 结 构 中 引 起 的 内 力 大 于 降 温 工 况 升 温 可 加 大 支 撑 的 各 项 内 力, 升 温 产 生 的 压 力 最 大 可 达 水 土 压 力 效 应 的 45%, 支 撑 设 计 时 必 须 考 虑 降 温 产 生 的 内 力 效 应 与 水 土 压 力 荷 载 相 反, 可 消 减 部 分 内 力, 但 影 响 不 大 图 0 Fig.9 Shear of the bracing system under water & earth pressure together with temperature variation 更 清 楚 地 显 示 出, 在 温 度 与 水 土 压 力 共 同 作 用 下, 各 项 内 力 最 大 绝 对 值 随 温 度 呈 线 性 变 化, 温 度 对 轴 支 撑 杆 件 因 变 温 产 生 的 变 形 因 受 到 围 护 结 构 及 土 体 的 约 束 而 产 生 内 力 升 温 时 杆 件 伸 长 而 受 向 压 力 影 响 最 大, 在 升 温 和 降 温 阶 段, 轴 力 极 值 的 变 化 率 明 显 不 同 表 各 种 作 用 下 支 撑 结 构 内 力 Table Internal force of the bracing system under different loading 内 力 极 值 水 土 压 力 2 升 温 0 3 升 温 20 4 降 温 0 5 降 温 20 +2 +3 +4 +5 轴 力 -3 470-782 - 560-6 -2-4 250-5 032-3 40-3 340 / kn -887-08 -27 63 27-996 - 04-874 -860 比 值 0.23 0.2 0.45 0.24 0.002-0.07 0.003-0.4.22.2.45.24 0.98 0.99 0.96 0.97 弯 矩 -628-64 -29-23 -47-692 -757-606 -585 / (kn m) 258 42 84 25 50 300 342 235 22 比 值 0.0 0.6 0.2 0.33 0.04 0.0 0.07 0.9.0.6.2.33 0.96 0.9 0.93 0.82 剪 力 -34-0 -2-6 - -44-53 -30-26 / kn 6 0 2 6 3 68 76 6 6 比 值 0.07 0.6 0.6 0.34 0.04 0.0 0.08 0.2.07..4.25 0.97 0.94 注 : 比 值 为 各 种 作 用 下 支 撑 内 力 的 最 小 值 或 最 大 值 与 水 土 压 力 工 况 下 内 力 的 最 小 值 或 最 大 值 之 比

206 年 第 期 彭 全 敏, 等 : 混 凝 土 内 支 撑 结 构 温 度 效 应 三 维 数 值 分 析 3 参 考 文 献 (References) 图 0 支 撑 结 构 内 力 随 温 度 的 变 化 Fig.0 Internal force of the bracing system with temperature variation 4 结 论 在 空 间 杆 单 元 协 调 模 型 基 础 上, 利 用 ANSYS 软 件 对 升 温 降 温 和 水 土 压 力 荷 载 ( 含 支 撑 自 重 ) 作 用 下 某 个 典 型 内 支 撑 结 构 的 内 力 和 变 形 进 行 了 三 维 数 值 模 拟, 分 析 了 温 度 作 用 的 影 响, 并 得 出 以 下 结 论 : () 在 自 重 温 度 和 水 土 压 力 荷 载 下, 支 撑 杆 件 主 要 受 轴 力 弯 矩 和 剪 力 共 同 作 用, 其 中 轴 向 压 力 最 大, 弯 矩 其 次, 剪 力 最 小 支 撑 结 构 内 力 随 温 度 呈 现 出 线 性 变 化 规 律, 在 升 温 和 降 温 阶 段, 内 力 变 化 率 不 同 (2) 升 温 使 围 护 结 构 在 支 撑 杆 件 附 近 发 生 向 坑 外 的 水 平 位 移, 对 支 护 结 构 的 变 形 影 响 较 小, 但 对 支 撑 结 构 的 内 力 影 响 较 大, 其 产 生 的 内 力 效 应 与 水 土 压 力 效 应 一 致, 从 而 加 大 了 支 撑 的 内 力, 且 对 轴 力 影 响 最 大, 升 温 20 产 生 的 轴 向 压 力 最 大 可 达 水 土 压 力 效 应 的 45% (3) 降 温 对 支 护 结 构 的 变 形 影 响 较 大, 随 围 护 结 构 深 度 的 加 大 影 响 减 小, 支 撑 所 在 的 坑 顶 影 响 尤 为 明 显 降 温 使 支 护 结 构 发 生 向 坑 内 的 水 平 位 移, 与 水 土 压 力 产 生 的 效 应 一 致, 降 温 20 可 使 水 土 压 力 下 的 坑 顶 最 大 水 平 位 移 由 8.2 mm 增 大 到 4.4 mm, 对 以 变 形 控 制 的 基 坑 工 程, 降 温 工 况 不 可 不 考 虑 (4) 相 同 升 降 温 幅 度 条 件 下, 由 于 坑 外 土 体 对 升 温 引 起 的 结 构 位 移 有 一 定 阻 止 作 用, 对 降 温 引 起 的 位 移 无 约 束 作 用, 升 温 产 生 的 支 撑 结 构 内 力 大 于 降 温 工 况, 降 温 产 生 的 支 护 结 构 最 大 位 移 值 大 于 升 温 工 况 [] 李 继 超. 温 度 对 混 凝 土 支 撑 轴 力 影 响 的 探 讨 [ J]. 施 工 技 术, 2000, 29(): 58. ( Li Jichao. Discussion of thermal effect on axial force in concrete strut [J]. Con struction Technology, 2000, 29 ( ): 58. ( in Chi nese)) [2] 张 中 普, 姚 笑 青. 某 深 基 坑 事 故 分 析 及 技 术 处 理 [J]. 施 工 技 术, 2005, 34 ( 2 ): 72 73. ( Zhang Zhongpu, Yao Xiaoqing. Accident analysis and technology dispose of certain deep foundation pit [ J ]. Construction Technology, 2005, 34 ( 2 ): 72 73.(in Chinese)) [3] 姜 忻 良, 孙 良 涛, 宗 金 辉. 双 基 坑 大 直 径 双 环 梁 支 护 体 系 监 测 与 分 析 [J]. 岩 土 力 学, 2006, 27(7):204 208. ( Jiang Xinliang, Sun Liangtao, Zong Jinhui. Construction monitoring and analysis of double large di ameter annular arched girders support system in double foundation pit excavation [ J ]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(7):204 208. ( in Chinese)) [4] 郭 跃. 深 大 基 坑 三 维 全 过 程 计 算 理 论 与 应 用 研 究 [ D ]. 杭 州 : 浙 江 大 学, 2006. ( Guo Yue. 3 D analysing theory and its application of deep excavation considering effects of staged excavation [ D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2006. ( in Chinese)) [5] 庞 卫 涛. 深 基 坑 支 护 结 构 变 形 随 温 度 变 化 原 因 分 析 及 加 固 处 理 措 施 [ J]. 天 津 建 设 科 技, 202(): 0 2. ( Pang Weitao. Cause analysis and reinforced measures for deformation of the deep foundation retaining system due to temperature changing [ J ]. Tianjin Construction Science and Technology, 202 (): 0 2. (in Chinese)) [6] 胡 蒙 达. 地 下 工 程 基 坑 围 护 结 构 Ф609 钢 支 撑 受 变 温 Tr 条 件 下 的 热 应 力 计 算 [J]. 地 下 工 程 与 隧 道, 998 (): 3 5. ( Hu Mengda. Thermal stress computation of Φ609 steel strut for sheeting wall of excavation in un derground engineering [ J]. Underground Engineering and Tunnels, 998(): 3 5. (in Chinese)) [7] Boone S J, Crawford A M. Braced excavations: temper ature, elastic modulus, and strut loads [ J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2000, 26(0): 870 88 [8] Hashash Youssef M A, Marulanda Camilo, Kershaw Kyle A, et al. Temperature correction and strut loads in Central Artery excavations[ J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2003, 29 ( 6 ): 495 505. ( 下 转 第 87 页 )

206 年 第 期 蒋 彪, 等 : 长 沙 地 铁 典 型 地 层 盾 构 施 工 地 表 沉 降 分 析 与 预 测 87 ence on Soil Mechanics and Foundation Engineering, vol. 4. Hamburg, Balkema[C]. 997, 2353 2385. [4] Sirivachiraporn A, Phienwej N. Ground movements in 的 地 表 沉 降 特 征 研 究 [ D]. 长 沙 : 中 南 大 学, 202. (Hu Xin. Study of characteristics of ground surface set tlement induced by EPB shield construction in Changsha EPB shield tunneling of Bangkok subway project and im No. 2 Metro Line [ D ]. Changsha Central South pacts on adjacent buildings [ J]. Tunnelling and Under University, 202.( in Chinese)). ground Space Technology, 202, 30(30):0 24. [8] 牟 友 滔. 土 压 平 衡 盾 构 施 工 引 起 的 地 表 沉 降 非 线 性 [5] 韩 煊, 李 宁, Jamie R S, 等, Peck 公 式 在 我 国 隧 道 施 工 地 面 变 形 预 测 中 的 适 用 性 分 析 [ J]. 岩 土 力 学, 2007, 28(): 23 28, 35.( Han Xuan, Li Ning, Jamie 预 测 与 控 制 分 析 [ D]. 长 沙 : 中 南 大 学, 203. ( Mou Youtao. Prediction and control of ground surface settle ment due to EPB shield tunnelling using non linear R, et al. An adaptability study of Gaussian equation ap method [ D ]. Changsha: Central South University, plied to predicting ground settlements induced by tunne 203.(in Chinese)). ling in China[ J]. Rock and Soil Mechanics and Engi neering, 2007, 28(): 23 28,35.( in Chinese)) [9] 彭 柏 兴. 长 沙 地 铁 勘 察 若 干 问 题 的 探 讨 [ J]. 城 市 勘 测, 2008(2): 40 47.(Peng Baixing. Problems of ur [6] 阳 军 生, 李 建 生, 傅 金 阳. 隧 道 施 工 对 邻 近 结 构 物 影 响 评 价 软 件 的 开 发 [ J]. 地 下 空 间 与 工 程 学 报, 20, 7(): 68 73, 84.( Yang Junsheng, Li Jian sheng, Fu Jinyang. Assessment system of the effects of tunneling on adjacent structures[ J]. Chinese Journal of ban subway engineering exploration in Changsha City [J]. City Exploration, 2008 ( 2): 04 07. ( in Chi nese)) [0] O Reilly M P, New B M. Settlements above tunnels in the United Kingdom: their magnitude and prediction Underground Space and Engineering 20, 7( ): 68 [ A ] / / Proceedings of Tunneling 82 Symposium 73, 84.(in Chinese)) [ C]. 982:73 8. [7] 胡 鑫. 长 沙 地 铁 二 号 线 土 压 平 衡 盾 构 隧 道 施 工 引 起 ( 上 接 第 3 页 ) [9] 郑 刚, 顾 晓 鲁. 考 虑 支 撑 围 护 桩 土 相 互 作 用 的 基 坑 支 护 水 平 支 撑 温 度 应 力 的 简 化 分 析 法 [J]. 土 木 工 程 294. (Lu Peiyi, Han Lijun, Yu Yong. Finite element analysis of temperature stress in strut of foundation pit 学 报, 2002. 35 ( 3 ): 87 89. ( Zheng Gang, Gu [J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29( 5): 290 Xiaolu. Simple method for calculating temperature stress in horizontal strut of foundation pit considering strut 294. (in Chinese)) [3] 杨 振 钧. 深 基 坑 平 面 支 撑 框 架 等 效 刚 度 的 研 究 和 计 pile soil interaction [ J ]. China Civil Engineering 算 [ D]. 哈 尔 滨 : 哈 尔 滨 工 业 大 学, 2006. ( Yang Journal, 2002,35(3): 87 89. ( in Chinese)) [0] 吴 明, 孙 鸣 宇, 夏 唐 代, 等. 多 层 支 撑 深 基 坑 中 考 虑 支 撑 围 护 桩 土 相 互 作 用 的 水 平 支 撑 温 度 应 力 简 化 计 算 方 法 [ J]. 土 木 工 程 学 报, 2009, 42 ( ): 9 94. (Wu g, Sun gyu, Xia Tangdai, et al. Sim plified method of calculating temperature stress in multi layer struts for deep excavations considering strut pile soil interactions [ J]. China Civil Engineering Journal, Zhenjun. Methods of determining the equivalent support stiffness of brace frame for deep excavation [ D ]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2006. ( in Chi nese)) [4] 应 宏 伟, 郭 跃. 某 梁 板 支 撑 体 系 的 深 大 基 坑 三 维 全 过 程 分 析 [J]. 岩 土 工 程 学 报, 2007, 29(): 670 675. (Ying Hongwei, Guo Yue. 3D analysis on a deep beam slab braced foundation pit considering effect of 2009, 42(): 9 94. (in Chinese)) construction process [ J ]. Chinese Journal of [] 艾 智 勇, 苏 辉. 深 基 坑 多 层 水 平 支 撑 温 度 应 力 的 简 Geotechnical Engineering, 2007, 29 ( ): 670 化 计 算 方 法 [ J]. 同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ), 675. (in Chinese)) 20, 39(2): 99 203. ( Ai Zhiyong, Su Hui. A sim plified method of calculating thermal stress for multi lay ered horizontal struts in deep excavations [J]. Journal of Tongji University ( Natural Science), 20, 39 ( 2): [5] 中 华 人 民 共 和 国 住 房 和 城 乡 建 设 部. 建 筑 基 坑 支 护 技 术 规 程 (JGJ 20 202) [S]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社, 202. ( istry of Housing and Urban Rural Development of the People s Republic of China. Tech 99 203. (in Chinese)) nical specification for retaining and protection of [2] 陆 培 毅, 韩 丽 君, 于 勇. 基 坑 支 护 支 撑 温 度 应 力 的 有 限 元 分 析 [ J ]. 岩 土 力 学, 2008, 29 ( 5 ): 290 building foundation excavation[ S]. Beijing: China Ar chitecture & Building Press, 200. ( in Chinese))