平面与空间模型下边墙结构内力分析

周少君

（广州市人防建筑设计研究院有限公司　广东　广州　510500）

平面与空间模型下边墙结构内力分析

周少君

（广州市人防建筑设计研究院有限公司广东广州510500）

地下室结构的研究是一个地下结构工程的综合性问题，在众多结构中外墙结构是其中重要的一部分，其设计的合理性，直接关系到工程造价和结构安全。本文主要是对正在施工的某地下公共人防工程的边墙结构的内力进行研究，采用有限元软件Sap2000研究这种狭长的边墙结构在三维空间模拟下的内力规律，与平面模型墙体结构的内力进行比较分析，得出各自的特点并分析其各自优缺点。最后进一步分析了当对外墙结构采取不同措施时在三维空间模型下其内力的变化规律，旨在为实际施工过程提供一些具体的指导意义。

大型地下空间；超长结构体系；边墙；有限元分析；受力状态

引言

随着城市建设的快速发展，社会环境和配套设施的提高，地下空间的应用在建设中的重要性日益突出。地下室的设计越来越多，不但要满足停车的需要，同时要满足人防的要求，地下室建筑功能的增多势必带来结构的越来越复杂。地下空间的开发利用逐渐普遍，由于功能要求，地下室往往面积大，体量大。地下室的结构中，外墙是其中重要的结构构件，其设计的合理正确与否，直接影响到工程造价和结构安全。建筑物中主要由墙体结构来承担竖向的承重构件时，此时墙体不但要承担由水平构件传来的竖向的荷载，同时还要承担由于风荷载或着地震作用而传来的水平地震作用。剪力墙就是由此而得名（抗震墙-抗震规范中的定名）。剪力墙结构是建筑物中的分隔墙和围护墙部分，因此墙体结构的布置必须要同时满足建筑结构的平面布置与结构布置两方面的要求。地下室墙体作为建（构）筑物中要的组成部分，其工程质量一直倍受关注，所以其内力、应变、施工工艺等一直是研究的重点。

1　以某工程为例，结构计算模型假定

1.1工程基本情况

某大型地下公共人防工程，为目前国内建筑规模最大的单建式平战结合人防工程，下沉式广场的设计，为无梁的板-柱框架结构。该工程设计为地下两层，平时功能为商场、人行过街通道、地下停车库，负三层为设备房；战时功能为人员掩蔽工程、防空专业队工程、物资库及其他配套工程。

工程总长1800m，宽120m，总面积约750600m2，抗力等级为核6（常6）级，顶板上覆土厚3m，地下水位为满水。顶板和底板厚均为600mm，中板厚为400mm，负二层的外墙的厚度为650mm，负一层的外墙的厚度为600mm，柱子的截面尺寸是800mm×800mm。

避难走道边墙超长为典型的狭长结构，主体结构剖面形式如图1，剖面左右两边为避难走道。

1.2结构计算模型与假定

1.2.1结构平面计算模型

Sap2000通用有限元结构分析软件，运用等效刚度原则将柱结构等效成墙体，选取纵向14跨墙体建立其平面的计算模型如图2。

图1　本工程主体结构剖面图

图2　平面计算简图

本工程采用800mm×800mm的柱结构，纵横向柱距均为9m，由式（1～10）可知该柱可等效为360mm的墙体。

对其平面的简化模型本文作如下假定：

（1）该工程属于狭长结构，其纵向长度远比横向长度大许多，因此假定纵向长度无限大；

（2）结构沿纵向材料和几何尺寸连续不变化；

（3）作用在结构上的荷载沿纵向连续分布且不变化。

1.2.2结构空间计算模型

用壳单元模拟结构顶板、底板、各层楼板、侧墙等，用空间梁柱单元模拟柱。其空间框架结构如图3所示。

图3　空间框架结构计算简图

1.2.3对荷载模型的假定

（1）实际工程中，没有任何材料的应力-应变关系是完全遵循线性关系的，线性假设仅是一种近似处理方法，对于大多数工程材料而言，在外荷载不足以使其结构破坏的情况下，这种近似是与实际较为吻合，能够较好的确定设计中的许可应力和应力限值。本文将研究在不同简化条件下结构内力的变化，因此取结构和土均为线弹性、各向同性是可行的。

（2）采用荷载结构模型，此模型的基本思想是把土体对结构的作用看作是作用在结构上的荷载，依此进行结构内力的计算。框架结构与岩土层之间存在相互作用，岩土层对框架产生地层抗力，这类问题中考虑到地层抗力作用的方法有两种：①假定地层的抗力和地层的位移无关，而是和承受的荷载相对平衡的反力作用，并且首先合理假定它的分布形式；②认为地层的抗力作用从属于地层变形，一般情况下均假定两者成线性关系，也称其为弹性抗力。本章选用第一种方法即采用荷载结构模型来模拟边界条件，利用它能够定量的计算出各种荷载的大小、准确地确定各种荷载的分布形式，这种模型适用于各类地层。

（3）边界条件：施加垂直于土体表面和平行于土体表面的位移约束；荷载边界按照荷载值施加。

1.3荷载计算

1.3.1荷载工况

在计算中考虑以下荷载基本组合：①平时工况：恒载+活载；②战时工况：恒载+人防荷载。其荷载组合分项系数见表1所示。

表1　荷载分项系数表

1.3.2荷载计算

（1）正常使用阶段（平时工况）荷载标准值计算地面超载标准值：q0=20kN/m2；

公共区人群荷载标准值：q人群=3.5kN/m2；

地下水位按满水计算。

竖向土压力标准值：qt=γ1h1=（20-10）×3=30kN/m；

结构侧向土压力：

结构顶板水压力：qw=γwh1=3×10=30kN/m2；

结构侧向水压力：

结构底板水浮力：q浮=（10+3）×10=135kN/m。

结构自重由程序自行考虑。

（2）人防使用阶段（战时工况）荷载标准值计算

该工况下不与地面活载组合。人防设计等级为6级。

人防荷载标准值：q=50kN/m2；

墙面均面荷载设计值：Q1′=1.2qB′+q2=50+1.2×103.65= 174.38kN/m2；

墙面三角形荷载设计值：Q2′=1.2（qA′-qB′）=1.2×（174.9-103.65）=85.5kN/m2。

2　不同模型下边墙结构内力分析研究

Sap2000模型下边墙结构内力的变化规律：

本工程在建模过程中的框架参数为：顶板厚600mm，中间层板厚400mm，底板厚600mm，负一层外墙厚600mm，负二层外墙厚650mm，等效墙厚360mm，板、柱和墙体均采用C35混凝土，其它构件采用C30混凝土。

在Sap2000模型中，本论文约定沿z轴方向为结构的高度，沿x轴方向为结构的宽度，沿y轴方向为结构的长度方向。在空间结构模型中，不同工况下荷载模型如图4～5。

图4　平时工况下空间框架荷载模型（单位：kN·m）

图2　战时工况下空间框架荷载模型（单位：kN·m）

2.1平面模型下侧墙内力的变化规律（如表2）

表2　平面模型下外墙弯矩M11值（单位：kN·m）

2.2空间模型下侧墙内力的变化规律（如表3）

由表2～3可以看出：①跨中弯矩值与上部节点弯矩值有10%的差异，而下部节点的弯矩值则相对而言相差了30%，比其他两个部位的稍大，是由于底板与墙体的连接方式的不同（底板与边墙为固接）而导致，以致于出现了弯矩集中的现象，从而导致30%的差异；②两种工况下从表2～3中数据可以看出，大部分为空间模型下的外墙内力较小，但是在平时工况时，从表2～3可以看出负二层外墙的弯矩值在平面模型中较小，相差在10～30%之间，波动较大。在平面模型中采用了等效墙厚的方法，将柱子等效成360mm厚的墙体作用在边墙上，承担上部结构竖向传递的荷载，与实际工程中的边墙没有柱子的状态失真，所以其弯矩值较小；空间模型则更接近实际情况，模拟更成功。

表3　空间模型下外墙弯矩M11值（单位：kN·m）

3　结语

总体来讲这两种简化方法对外墙内力的影响不大，主要是由于这两种分析方法中对外墙的约束条件基本一致，同时在建模过程中对外墙基本没有进行简化，所以不论用哪种方法对计算结果没有大的影响；但是由于空间模型中采用空间板壳单元模型来模拟边墙，认为相邻板壳单元之间、两个方向上竖向变形相互受到约束，同时也考虑到了构件之间的协同作用，因此计算出的内力与实际更为接近，由此可以看出空间模型的优越性。因此空间结构模型比平面简化模型要好，在整体计算结果中空间计算方法得到的外墙内力比平面计算方法得到的外墙内力要略小一些。考虑到实际工程的经济效益等，设计中采用空间模型更为合理方便，由于地下工程都是比较大型的，内力的大小直接影响到配筋量的大小，从而产生巨大的经济效益。

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TU93

A

1673-0038（2015）08-0030-03

2015-2-6