内隔墙设洞口的大型沉井三维结构分析

陈亮亮，管晓燕

(1. 安徽省电力设计院，安徽 合肥 230601；2. 安徽省水利水电勘测设计院，合肥 230022)

内隔墙设洞口的大型沉井三维结构分析

陈亮亮1，管晓燕2

(1. 安徽省电力设计院，安徽 合肥 230601；2. 安徽省水利水电勘测设计院，合肥 230022)

按照规程的设计方法，将沉井结构的三维立体结构计算转化为平面结构计算。但是隔墙设置洞口时，转化后的平面结构计算就会出现问题。为安全考虑，设计和施工时内隔墙洞口往往设置临时隔墙，在沉井封底后再全部敲除的，这给施工造成了极大的麻烦。本文针对该问题，对于实际工程中，大型沉井结构进行4种模型分析：平面分析模型、无洞口分析模型、带洞口分析模型以及带壁柱的洞口分析模型。根据四种模型分析对比，考虑洞口处设置临时隔墙的必要性。

沉井；洞口；壁柱；临时隔墙。

沉井是一种在地面上制作，通过移除井内土体的方法使之下沉到某一深度的井体结构。由于沉井在建造地下构筑物中显示的优越性，随着施工技术和施工机具的不断发展而获得越来越广泛的应用。无论是设计理论方面或是实践技术方面，均积累了十分丰富的经验，我国已有了完善的设计规程(CECS 137:2002)和施工验收规范。

按照规程的设计方法，将沉井结构的三维立体结构计算转化为平面结构计算。但是，由于隔墙的洞口设置，必然造成在某一高度平面上的沉井结构失去了约束，使得外墙计算长度很大，造成内力非常大而不好配筋。由于洞口上下都有支撑隔墙，简单的认为孔洞处的约束不存在显然是不合理的。针对孔洞的处理，一般的做法是在孔洞外池壁处设置壁柱，同时在孔洞处设临时隔墙，两者共同作用代替隔墙的支撑效果，所以计算模型仍然可以认为此处为固端约束。但是，临时隔墙根据工艺要求，在沉井结构使用之前是应该全部敲除的，这给施工造成了极大麻的烦。因此，临时隔墙的设置与否就是一个必须解决的问题。

考虑上下隔墙对洞口的影响，采用简单的平面分析模型是无能为力的，必须对沉井结构进行三维有限元分析。本文使用MIDAS/GEN软件，对内隔墙设洞口的大型沉井进行分析，以探讨洞口对结构的影响，进而分析内部临时隔墙的必要性。

1 基本资料

1.1 几何尺寸

某工程循环水泵房位于海边，为多格地下池体建筑，采用沉井方案进行设计和施工。结构总尺寸为37.4m×30.0m。中间分为5行4列共20格。每格宽6.0m，长度不等，最大为8.1m。外壁均为1.5m厚，内壁为1.0m厚。沉井结构总高度15.6m，隔墙高15.0m，底板厚1.5m。采用C30混凝土，HRB335级钢筋，保护层厚度50mm。设计最大裂缝宽0.2mm。

1.2 土层参数：详见表1

1.3 施工工艺

泵房工作区四周设临时防水坝体，工作区内进行深井排地下水。泵房进行排水下沉干封底。

表1 沉井工程所在区域土层参数

2 沉井结构平面分析结果

2.1 外力分析

沉井结构受水土压力荷载作用，为简化分析，采用重液压力公式[5]：

其中：z为计算点至地面的深度(m)；γ为水土混合重液的重度，可取13kN/m3；

按照规程6.1.16(3)中说明，刃脚根部以上高度等于该处井壁厚度1.5倍的一段井壁，施工阶段计算时，除考虑作用在该段上的水土压力外，尚应考虑由刃脚传来的水土压力作用。

对井壁在高度上进行分段，分别选取标高-10.10m～-13.80m(P1)、-7.10m～-10.10m(P2)、-4.10m～-7.10m(P3)、-1.10m～-4.10m(P4)、1.00m～-1.10m(P5)的井壁，其荷载结果为：

2.2 内力分析

使用PKPM(2005网络版)对水平框架进行内力和配筋计算。对框架进行竖直和水平两种方向上约束进行计算。根据计算结果，沉井底部最大弯矩为2426kN.m，对该层配筋结果为Ф32@80，裂缝为0.2mm。

3 未设洞口的沉井结构三维分析

模型的建立：首先取每面墙的中心线作为轴线，建立沉井结构的平面模型，然后对沉井内外壁进行拉伸处理，得到整个沉井的三维结构模型。其中，需对沉井结构进行分隔，以进行有限元分析。分隔的原则是：分隔单元最好接近于正方形，长宽比小于等于2，尽量不出现凹角。为此，本模型分隔长度纵横都取为1m，这样能很好的分隔整个沉井结构。

模型分析结果：位移等值线图如图1所示。并在底部截取线1(cut line #1)和线2(cut line #2)，得到两条线上的弯矩值，如图2、图3所示。

图1 位移等值线图

根据分析结果，结构最大弯矩值为2015kN.m/m，结构最大变形值为1.82mm。

4 带洞口的沉井结构三维分析

对于3中所建立的模型，在不同的外壁和隔墙上建立带洞口的模型。模型分析结果：位移等值线图如图2所示。并在底部截取底部X，Y方向上的剖面线，得到两条线上的弯矩值。

图2 位移等值线图

图3 位移等值线图

根据分析结果，结构最大弯矩值为2020kN.m/m，结构最大变形值为6.05mm。

5 设壁柱时沉井结构三维分析

模型的建立：对于4中所建立的模型，在洞口外墙处加设壁柱和临时支撑梁。并在底部截取底部X，Y方向上的剖面线，得到两条线上的弯矩值。

根据分析结果，结构最大弯矩值为1879kN.m/m。结构最大变形值为1.91mm。

6 结论

6.1 内力分析比较

本文中共采用四种不同的模型对沉井结构进行分析：模型1、无洞口的平面分析模型；模型2、未设洞口的三维分析模型；模型3、设洞口的三维分析模型；模型4、设壁柱结构的三维分析模型。四种分析模型的特征值如表2所示：

表2 四种模型分析结果比较

6.2 模型结果分析

模型1和模型2、3、4的值相差较大，原因在于分析模型的受力不一样，在模型1中，认为最下层的模型受力除了受该层本身水土压力荷载的作用，同时还受到来自下部刃脚处的荷载，将这两个相叠加，并且认为该层上部结构对下层没有约束作用，这些都是对沉井结构的较保守计算。

模型2、3、4中，最大弯矩值相差不大，即使是在沉井设有洞口的情况下，模型3的弯矩值较模型2的最大弯矩值也没有非常大的增加，原因在于洞口设置的位置并不是在最底部，洞口上下仍然还有隔墙的支撑作用效果。但是，由于洞口的存在，使得在该位置的变形大大增加。模型4由于在相应的位置对洞口进行了加固(设壁柱和临时支撑结构)，使得变形值有了较大的改善。考虑到实际施工中不确定因素的影响，为安全考虑，可以将模型4的实际配筋计算仍然按照模型1进行。

一般设计中，针对孔洞的处理，一般的做法是在孔洞外池壁处设置壁柱，同时在孔洞处设临时隔墙。但是，临时隔墙根据工艺要求，在沉井结构使用之前是应该全部敲除的，这给施工造成了极大麻的烦。根据分析对比，本工程的临时隔墙可以取消，为简化施工工序提供了计算依据。

[1]GB50010-2002 混凝土结构设计规范[S].

[2]GB50007-2002. 建筑地基基础设计规范[S].

[3]吴德安. 混凝土结构计算手册(第三版)[K]. 北京：中国建筑工业出版社.

[4]葛春辉. 钢筋混凝土沉井结构设计施工手册[G]. 北京：中国建筑工业出版社.

[5]CECS 137:2002. 给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程[S].

[6]给水排水工程结构设计手册编委会. 给水排水工程结构设计手册[K]. 北京：中国建筑工业出版社.

Three-dimensional Structure Analysis on Large Sinking Well with Holes

CHEN Liang-liang2, GUAN Xiao-yan2
(1. Anhui Electric Power Design Institute, Hefei 230601, China;
2. Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower, Hefei 230022, China)

According to the method of existing criterion, the calculation of sinking wall shall be changed into plane structure. But if holes were set on wall, there shall have problem in calculation. For safety, inner temporary partition walls shall be considered, and they shall be struck away after the motherboard was built. This way shall be very dif fi cult for construction. This paper shall do some analysis on this problems basing actual work, and take 4 types models: plane model, non-hole model, hole model, and hole-with-wall columns model. According to the structure analysis of 4 models, the necessity of temporary partition walls shall be considered.

sinking well; hole; wall column; temporary partition wall.

TM621

B

1671-9913(2011)02-0057-03

2010-02-16

陈亮亮(1983- )，男，江西南昌人，工程师，现在安徽省电力设计院从事水工结构设计工作。