沉井下沉施工阶段井壁有限元整体计算分析

郭峰（北京桑德环境工程有限公司 北京 101102）

0 引言

沉井结构形式由于施工时占地面积小、对邻近建构筑物影响较小， 并且内部空间可以充分利用等特点，在工程中有广泛的应用，比如市政工程中的给、排水提升泵站，道路桥梁的基础工程等。沉井在下沉阶段,是一种围护结构体系，而在终沉封底或填充后又成为了地下构筑物或深埋基础的组成部分。因此，在各个不同的阶段，从制作、下沉到竣工建成投入使用，沉井结构各个部分的受力体系、承受的外部荷载及荷载作用的情况都在不断变化。所以，沉井结构的设计计算也相应的必须按从施工到使用的各个阶段分别进行，从而保证沉井能够满足强度、刚度和稳定性等的要求。尤其是在沉井下沉阶段，施工方法较多，结构本身受力情况也很复杂。本文以利民河截污调蓄工程中的调蓄池设计为例，比较和讨论了沉井下沉阶段井壁通常使用的表格计算法与采用佳构STRAT软件整体建模计算法，选取最不利工况对二者的结果进行对比分析，得出了结论。

1 工程概况

项目为利民河截污调蓄工程中的调蓄池，项目位于江苏省淮安市。这个调蓄池池体埋深较深，为8.6m，池顶覆土1.2m，平面尺寸为22mx12m。综合考虑地勘报告以及周边构建筑物情况，此池体采用了沉井结构形式，平面、剖面图详见图1、图2。

2 项目背景

本工程整体为外协单位所设计，图纸需拿到我单位进行图审。本文将结合此次图纸校审的过程对沉井结构进行计算分析。

2.1 第一版图纸

第一版图纸的剖面配筋图详见图3。

根据地勘报告，项目所在地区地下水位较高，建议抗浮水位为场坪标高下0.5m。图纸设计说明中明确此沉井为不排水下沉，按工程经验判断，如此大的跨度，在如此高地下水以及土压力的作用下，设计的壁厚及配筋远远不能满足承载力要求，裂缝则更是无法满足规程要求的“沉井结构下沉阶段裂缝宽度不大于0.25mm”。遂在图纸校审意见中提出“沉井应复核钢筋，由于平面尺寸较大，应设置扶壁柱及支撑梁，形成框架体系。否则无法满足受力要求”。

图1 调蓄池平面图

图2 调蓄池剖面图

2.2 第二版图纸

外协单位所发第二版图纸中，按照之前意见加设了暗柱及中柱，并且通过梁进行连接，形成了整体框架。修改平面图及剖面图详见图4、图5。

3 结构分析复核

3.1 原设计计算方法及配筋

形成框架体系的第二版图纸基本符合了设计原则，满足工程经验要求，在此基础上对这个调蓄池单体进行进一步的校核分析。

原设计修改后的剖面配筋详见图6。

外协设计单位提供了计算书。一般沉井计算按《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》[1]中的规定进行。在葛春辉所著《钢筋混凝土沉井结构设计施工手册》[2]中有较为详细的计算过程及算例。另外，还有《给水排水工程结构设计手册（第二版）》[3]中也有关于沉井的章节，亦提供了相应的手算计算方法。但上述资料中的算例均为单格小型沉井，对于较为复杂的沉井比如多格以及需要设置扶壁柱和支撑梁的并未涉及。沉井结构若采用人工手算的话，计算量较大，特别是对于如上所述较为复杂的沉井来说更是如此。而且手算无法考虑结构的整体效应，只能按单块板、单根梁柱近似计算。外协单位所采用的即是上述方法。对于采用梁柱对沉井结构的分格支撑作用，直接采用分格后的柱间跨度，按照单格沉井进行了计算。这样忽略了沉井各个区格之间的相互作用，而且对支撑的梁柱体系本身受力情况没有充分考虑，结果无疑是不够精确的。

采用表格法计算的最大内力处为刃脚根部以上一段井壁范围（通常考虑1.5倍井壁厚度），此处不仅外土外水压力最大，而且叠加了刃脚传来的弯矩，这也是沉井结构最不利的部位。外协单位提供的计算书详见图7：

图3 剖面配筋图

图4 修改后平面图

图5 修改后剖面图

3.2 采用佳构STRAT整体建模

要想较为准确的对其进行内力分析，软件整体建模无疑是最佳选择。但目前尚无可以针对沉井直接进行计算分析的结构程序。对此只能把沉井结构在制作、下沉到竣工投入使用各个阶段的具体工况，与通用有限元软件结合起来进行考虑。沉井设计主要需要验算的内容为：

（1） 下沉验算。下沉系数应大于1.05，这样沉井可以靠自重下沉，但下沉系数又不能太大，此系数应控制在0.8到0.9之间，避免发生突沉、超沉情况；

（2）竖向抗拉验算。避免沉井下沉过程中产生断裂；

（3） 土体稳定性验算。如果沉井为顶管工作井，需验算顶管力作用下后背土体的稳定性；

图6 修改后的剖面配筋

图7 表格法计算书

（4） 井壁内力计算与配筋。需验算沉井下沉、封底、顶管以及使用各个阶段的井壁受力情况，并进行相应的配筋；

本项目为调蓄池，无需考虑顶管力的作用影响。在前三项计算内容中，前文所提到的规程、手册中已提供了较为简明的计算方法，此处不再赘述。以下主要介绍佳构STRAT在对沉井下沉阶段井壁内力分析上的应用，考虑最不利工况进行内力的有限元计算分析，对原设计进行校核。

佳构STRAT计算软件对于水池类构筑物三维建模、加荷、剖分、计算、输出都比较方便。下面对佳构STRAT建模计算的主要步骤进行分述：

3.2.1 单元模拟与网格剖分

佳构STRAT计算软件对池壁采用“超元”进行模拟，网格剖分在属性中设置之后会在后续计算中自动形成，不必重复操作。模型建立过程中，比较重要的是对井壁局部坐标系的建立，此步骤非常关键，直接关系到后续的荷载添加是否准确。

3.2.2 边界约束条件

软件可以方便地添加各种约束，此处对池壁下端添加线约束，约束方式为铰接。

3.2.3 荷载输入

沉井外壁的地下水压力及土压力，在总体参数中对结构工况进行定义，通过软件的“流体、土体表面压力”来添加。在前面所说建立正确的池壁局部坐标的前提下，可以较为快捷地进行水、土压力的布置。

3.2.4 整体计算

建模完成之后运行“单元整合”命令，对模型进行检查，检查无误后生成计算模型（详见图8），运行STRAT计算模块进行计算分析。

图8 整体模型

3.3 计算结果分析及复核

沉井下沉至设计标高，且底板未浇筑的状态为下沉阶段的最不利工况，此时沉井外荷载达到最大，并且尚未进行封底，各井壁处于单向受力状态。下面重点对此工况进行计算分析，与手算结果对比校核。

井壁在池外水压土压组合作用下水平弯矩云图详见图9～图11。

图9 水平弯矩云图

图10 长方向井壁水平弯矩云图

图11 短方向井壁水平弯矩云图

通过对井壁的应力云图进行分析，在支撑梁位置出现了应力集中，与其支座条件特点相符。在三角形分布的外土压力、外水压力作用下，井壁外侧呈现出下部弯矩比上部弯矩大的规律，与荷载分布特征相符，从而说明软件计算分析结果与结构概念分析是一致的。具体查看内力数值，对比手算得到的计算数值，发现井壁手算结果总体大于整体建模计算的内力值，井壁内力最大处钢筋复核满足规范要求。表格手算得到的最大弯矩如图7中所示为1 167.32KN·m/m（取绝对值，正负规定与软件相反），整体模型相应最大弯矩值为960KN·m/m。进而从整体建模的计算结果（图10）中可以看到,井壁最大弯距的位置与手算所得到的也不相同。在整体模型中,结构的支座最大弯矩并不在外荷载最大处（即刃脚根部之上一段井壁，范围一般取1.5倍井壁厚度），而在更靠上的位置，表明各个井壁间并非独立的板单元，相互之间有作用，产生了空间效应。通过以上的对比分析，得出手算过程没有考虑结构的空间效应，结果偏保守，满足工程设计要求。但同时也说明手算结果也有一定的优化空间。

对于支撑结构的梁柱计算在外协单位的计算书中并未体现，所配钢筋应该是根据经验附加简单手算得来。而通过整体建模则可以准确得到这些构件的各种内力，从而为配筋建立依据。

池外水压土压组合作用下梁柱弯矩图详见图12：

图12 土压组合作用下梁柱弯矩图

池外水压土压组合作用下梁轴力图详见图13：

图13 池外水压土压组合作用下梁轴力图

4 结语

佳构STRAT软件具有方便快捷的图形功能、完备的荷载处理功能，在进行较复杂沉井设计时，通过STRAT软件整体建模分析，大大提高了计算精度，而且可以根据需要给出相应的应力图，为结构设计提供直观的计算结果依据。笔者结合实际工程项目—利民河截污调蓄工程中的调蓄池沉井单体，通过采用有限元软件对手算结果的校核，指出了近似手工计算复杂的沉井未考虑结构整体效应，弯矩最大部位与实际不同，另外计算结果偏于保守，存在优化空间。所以可以说，在设计沉井结构时，还应优先采用空间整体模型进行计算，以确保结构的安全，并且提高经济效益。