型钢组合支撑的工程应用与有限元分析

2022-05-25戎玉辉余振锡谢潘想

四川建材 2022年5期

戎玉辉，余振锡，谢潘想

(安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243002)

0 前言

钢材作为一种绿色，环保，可重复利用的新型建材已经成为大势所趋，随着我国城镇化的不断深入和建筑行业的安全标准不断提升，对钢材的使用要求也越来越重视，根据海关总署公布的数据显示，2020年9月份，我国进口钢材288.5万t，同比增长159.9%，1～9月我国累计进口钢材1 507.3万t，同比增长72.2%，已经超过去年全年的进口总量，装配式H型钢组合内支撑整体结构(见图1)由不同尺寸的H型钢通过高强螺栓连接而成，包括型钢立柱，型钢围檩，预应力加压装置，八字撑，角撑和对撑，目前国内已经有很多学者对装配式H型钢组合支撑在基坑工程中的应用进行了研究[1-2]，本文依托于马鞍山某地下停车库基坑工程对装配式H型钢组合支撑的现场检测与有限元模拟进行研究。

(a)对撑

1 工程概况

马鞍山行政服务中心地下停车库基坑工程位于安徽省马鞍山市，钟山路与青邮路交叉口西北角，该基坑工程南北长约160 m，东西宽约75 m，开挖深度约6.1～7.9 m，围护结构使用钢板桩+H型钢简称HUC组合支护结构[3],内支撑体系使用装配式H型钢组合支撑体系，基坑西侧为公园皇甫小区，距离第一排房屋面积约为15 m，房屋高度约为55 m，危险系数较高，北侧、东侧、南侧分别为政务中心停车场，青邮路，钟山路，危险系数较低。基坑工程支撑平面布置图见图2，需开挖的土层状态见表1。

图2 基坑工程支撑平面布置图

表1 需开挖的土层状态表

现场的监测内容包括装配式H型钢组合支撑轴力监测、支护结构水平位移监测、支护结构竖向位移监测，分别采用振旋式频率读数仪、高精度全站仪极坐标法、二等几何水准测量法进行监测，本次监测自2020年10月25日到2020年12月1日，共监测30次，累计水平位移量最大值测点4为19.84 mm,累计竖向位移量最大值测点10为6.39 mm，装配式H型钢组合支撑轴力监测次数为12次，内支撑轴力最大值增量N8为143.77 kN，从监测数据结果来看装配式H型钢组合支撑轴力随着土方开挖量的增加而逐渐增大，在内支撑未完全闭合前，支护结构在水平和竖向的位移随着土方开挖量的增加也明显增大，所以在土方未完全开挖前，应做好应对措施，采取分块开挖的方式，边开挖边对底板混凝土进行浇筑。

2 数值模拟分析

对于该基坑工程的有限元分析，几何模型的总尺寸为

230 m×185 m×30 m，周边地面超载取20 kPa，周边建筑物层数及荷载作用位置按实际情况考虑，每层建筑物的附加荷载按10 kPa考虑，支护结构的本构模型采用线弹性模型，将钢板桩+H型钢组合支护结构等效为地下连续墙[4],基本理论是虎克定律,应力应变呈线性关系

{σ}=[D]{ε}

(1)

式中，[D]为弹性矩阵。

在基坑工程中采用Mohr—Coulomb弹塑性本构模型，实际上就是线弹性模型加上Mohr—Coulomb破坏准则[5]，它是一种理想性的弹塑性模型，不仅考虑了虎克破坏准则，而且有土体剪胀性以及剪切屈服应力等，装配式型钢组合支撑模拟采用尺寸为400 mm×400 mm×16 mm×25 mm多根型钢组合而成。其内支撑轴力图、水平、竖向位移图见图3。

(a)内支撑轴力图

从数值模拟分析结果来看，该基坑工程水平方向最大位移为21.89 mm，比实际监测数据19.84 mm多出2.05 mm，结果相差在允许范围内，在竖直方向的最大位移为10.98 mm比实际监测结果6.39 mm多出4.59 mm，内支撑最大轴力为2.08×103kN与N8轴的基础轴力加上最大轴力增量相差不大，所以该装配式型钢组合支撑模拟结果只能为实际的基坑工程起指导作用。