不同壁厚圆形沉井受力分析

2021-03-13刘世忠

兰州工业学院学报 2021年1期

郭华，刘世忠

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070)

随着社会经济的发展，机动车已经走进千家万户，停车难问题愈发严重，沉井停车库是很好的选择[1].沉井的施工方法是先制作井壁，然后依靠其自重，通过取土下沉的方式达到设计标高后进行底板施工，再进行井内结构和顶板的施工[2].如今沉井施工在我国应用广泛[3-7]，施工技术成熟.通过对不同厚度井壁的应力分析，可以为沉井的优化提供可靠依据.

1 沉井模型的建立

1.1 工程概况

本项目为圆塔停车库，位于咸宁市嘉鱼县潘湾武汉新港工业园内.该项目占地面积约为59 936.6 m2，总建筑面积70 582.46 m2.本项目停车库位于地下19.4 m，建议基础埋深26 m.由于地质条件和埋深方面的不同，沉井所受到的水、土压力都会发生改变，沉井的尺寸需要优化.本项目圆塔停车库基础埋深在26 m，可直接用粗砂层作为基础持力层，基础形式建议采用筏板基础.此处的土质从上至下依次为素填土、粉质黏土、粉质黏土层夹层细砂、细砂层夹层和中砂，地下水位距离地面6.3 m，详细地质剖面如图1所示.

图1 车库地质剖面

1.2 沉井结构设计

沉井分为9节，1节1.8 m高刃脚+8节2.05 m米高标准节+0.2 m高顶板.单井10块刃脚，40块标准节，刃脚单块重约30 t，标准节单块重约14 t.顶板用C30自密实混凝土，设计抗渗等级P6，活载标准值为4.0 kN/m2；侧壁内腔采用C30微膨胀混凝土，设计抗渗等级P8；底板采用C30混凝土，设计抗渗等级P8；侧壁预制块采用C35混凝土，设计抗渗等级P8；内部停车架采用C30混凝土.具体尺寸如图2所示.

图2 沉井竖向剖面(单位：mm)

1.3 沉井结构模型建立

地下沉井车库采用Solid65单元进行有限元建模.根据图纸分别确定圆形沉井底板半径、厚度、侧壁斜率及集水槽位置等，建立底板1/4实体模型，通过拉伸、实体分割、工作平面分割、减运算等一系列操作进行几何模型建模.单元属性选择Solid65，根据C30混凝土定义材料的弹性模量、泊松比、密度.通过映射方式将几何模型划分成有限元模型，通过X、Y轴对称复制，形成圆形沉井整体有限元模型，如图3所示.

图3 圆形井壁有限元模型

荷载分别为自重和地下水浮力，自重通过定义自由加速度施加，方向竖直向下；地下水浮力根据沉井排开水的体积确定，沿底板底面竖直向上.

2 荷载计算

沉井在施工过程中，因降水施工，结构仅受到土压力的作用.在运营过程中，结构会受到周围水压力、土压力、沉井内部结构自重的作用以及底板水浮力的作用，所以荷载计算分为2个工况：工况1为施工阶段最不利工况，此时沉井刚下沉到设计位置，沉井侧壁仅受到土压力且土压力最大；工况2为运营阶段工况，此时地下水位恢复，沉井受到周围水压力、土压力、沉井内部结构自重的作用以及底板水浮力的作用.

根据土质情况，计算沉井所受土压力大小，按照最不利荷载施加，刃脚段按照静止土压力大小施加，标准段按照主动土压力施加.其中，刃脚段高1.8 m，标准段高16.6 m，沉井按照设计基础埋深26 m计算.计算方法采用朗肯土压力理论计算[8]，如表1所示.

表1 各工况土压力

工况2下底板所受上部荷载为

工况2下底板水浮力为

F=rh=9.8×19.7=193.06 kPa，

式中：r为水的容重，9.8 kN/m3；h为底板地下水位高度差值.

综上，工况1下，沉井侧壁所受的土压力如图4所示.

图4 工况1下沉井侧壁受力分布(单位：kPa)

工况2下沉井受力分布如图5所示.

图5 工况2下沉井受力分布(单位：kPa)

3 施工阶段井壁优化

在沉井中如何控制钢筋和混凝土的用量，是控制沉井经济性的一项关键要素.因此，在保证沉井安全的前提下，应当使其受力性能尽可能得到充分发挥[9].对于沉井设计而言，井壁厚是根据沉井下沉、抗浮、受力和适用性等要求确定[10].本项目根据实际情况，对圆形沉井井壁厚度分别为0.4、0.6、0.8、1.0 m时进行了有限元应力及位移比较分析.利用有限元软件Ansys建立了不同井壁厚度下的圆形沉井有限元仿真模型，各模型径向位移、径向应力和环向应力对比分析如表2所示.

表2 不同井壁厚度下圆形井壁位移和应力

由表2可知：在侧壁土压力的作用下，井壁径向最大位移、径向最大压应力和环向最大压应力主要发生在刃脚处.井壁未产生拉应力，各向压应力均满足规范要求.在施工阶段中，圆形井壁不受径向拉应力和环向拉应力；井壁径向压应力随井壁厚度的减小而减小；井壁径向位移和环向压应力均随井壁厚度的减小而增大；井壁厚度在0.4～1.0 m范围内,位移和压应力均满足规范要求.

4 使用阶段井壁及底板优化

沉井的施工包括降水、部品预制、构件运输、现场拼装、挖土下沉、内腔灌注混凝土、封底和设备安装8个施工流程.在使用阶段，地下水位恢复，沉井受到周围水压力、土压力、井内结构自重的作用以及底板水浮力的作用.

根据沉井实际受力情况，利用有限元软件Ansys建立了井壁厚度为1.0 m和底板厚度分别为1.6、1.7、1.8 m时的圆形沉井有限元仿真模型，进行有限元应力及位移比较分析，得出最优化的底板厚度.各模型最大径向位移、最大径向应力和最大环向应力对比分析如图6～7和表3所示.

(a) 径向位移

由表3可知：径向应力最大值出现在底板位置，竖向应力最大值出现在井壁位置；当井壁厚度为1.0 m时，沉井整体结构位移和应力均随底板厚度减小而增大；当底板厚度为1.6 m时，其竖向拉应力为2.07 MPa，主要位于井壁和底板相交处外侧，大于C30混凝土抗拉强度标准值2.01 MPa，不满足规范要求；当底板厚度为1.7 m和1.8 m时，其拉应力均满足规范要求，在厚度优化条件下，底板最小厚度为1.7 m.