沉井式地下车库承载特性数值分析与结构优化.pdf

第32 卷第2 期2023年6 月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.32 No.2Jun.2023文章编号：10 0 6-0 8 7 1(2 0 2 3)0 2-0 0 4 4-0 5D0I:10.13340/j.cae.2023.02.009沉井式地下车库承载特性数值分析与结构优化贾强“b，左常璐.h（山东建筑大学a.土木工程学院；b.建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，济南2 50 10 0）摘要：为研究连续拱形组合截面沉井式地下车库的受力特性，采用Ansys软件分别建立拱脚固接和拱脚铰接2 种连接方式的不同跨数标准节间的连续拱形组合截面沉井的数值模型，分析构件的弯矩变化规律。结果表明：当标准节间外拱墙圆弧的迹线位于同一圆弧时，相应矢跨比为外拱墙弯矩接近为0 的最优值。当标准节间跨数、拱脚连接方式、标准节间长宽比发生改变时，这一结论仍然适用。关键词：连续拱形组合截面沉井；预制装配；迹线；整体浇筑；矢跨比；优化中图分类号：TP391.99；T U 92 6Numerical analysis of load-bearing characteristics andstructural optimization of caisson underground garage(a.School of Civil Engineering;b.Key Laboratory of Building Structural Retrofitting and UndergroundSpace Engineering(Ministry of Education),Shandong Jianzhu University,Jinan 250100,China)Abstract:To study the mechanical characteristics of the caisson underground garage with continuous archcomposite section,the numerical models of continuous arch composite section caisson with differentnumber of standard spans using the arch foot fixed connection and the arch foot hinged connection arebuilt in Ansys software.The bending moment change law of the members is analyzed.The results showthat when the trace of the arc of the outer arch wall of the standard section is located in the same arc,thecorresponding rise-span ratio is the optimal value while the outer arch wall bending moment close to O.This conclusion is still applicable while the number of standard internode spans,the connection mode ofarch foot and the ratio of length to width of standard internode change.Key words:continuous arch composite section caisson;prefabricated assembly;trace;integral casting;rise-span ratio;optimization0引 言大量既有建筑建造时未设置地下车库，然而随着社会经济的发展、汽车保有量的增加，停车难现象收稿日期：2 0 2 2-12-0 5修回日期：2 0 2 3-0 1-11基金项目：国家自然科学基金（512 7 8 2 8 6)作者简介：贾强（197 0 一），男，山东济南人，教授，博士，研究方向为建筑物移位改造与地下增层，（E-mail)http:/文献标志码：BJIA Qiang*b,ZUO Changlu*.h愈发明显。为解决此问题，考虑加大对地下空间的开发利用1,2 已有利用桩基托换技术在既有建筑物下方增设地下室的成熟方法，但可利用的空间有限。在既有cae ;smucae 第2 期建筑之间增建地下车库，可提高土地的利用率。为减少施工过程对相邻既有建筑的扰动,采用沉井结构增设地下车库成为首选。作为深基础使用时，沉井的截面形式多为圆形。在水平土压力和水压力的作用下，这种形式的沉井能保证构件截面内均受压应力，而拉应力和弯矩较小。国内外学者3-10 1对这种结构形式沉井施工阶段的力学性能和有限元分析已有相关经验。在拱形结构研究方面：詹集明11 探究连拱形地下墙基坑支护体系，认为拱形结构传力简单,能够更好地承担极大的土压力，充分发挥混凝土的抗压性能；朱礼敏等12 运用Ansys有限元分析软件对某地下车库混凝土拱形结构方案进行优化，结果显示地下车库上部采用“拱板+拱梁”的方案，既可以提高车库受力性能又节省材料。然而,从车位的布局和空间利用角度出发，现有的沉井法施工地下车库大多设计成矩形截面，因此沉井的截面弯矩较大，需配置更多的受力筋。另外,如果采用预制装配式沉井,螺栓连接方式的拼装接头不能承担拱脚处比较大的弯矩，限制预制装配式沉井在地下车库中的应用。针对沉井式地下车库存在的问题,贾强等13-14 提出一种连续拱形组合截面沉井地下车库结构形式，其平面示意见图1。贾强，等：沉井式地下车库承载特性数值分析与结构优化等有效信息，继续进一步分析。45墙体厚度均设为0.5m。车库设计为3层，层高均为4 m。采用Ansys软件建立模型，土体力学参数如下：弹性模量E=1.6107N/m,泊松比v=0.3,容重=19kN/m,摩擦角=30,黏聚力C=9kPa,忽略地下水位的影响。土压力作用按静止土压力计算，计算得到车库外墙地表以下12 m处单位宽度(1m）最大水平土压力值为114 kN/m。车库墙体材料为C30混凝土,密度p=210kg/m,弹性模量E。=2 10 l N/m,泊松比v。=0.2。采用BEAM188梁单元对关键点连线形成的沉井模型划分单元。沉井外轮廓均匀布设“土弹簧”模拟土体对沉井的约束作用,用COMBIN14弹簧单元模拟。土压力均布载荷用梁单元上每个节点的水平载荷与竖向载荷的等效载荷表示。通过释放拱脚节点约束,改变固接或者铰接的拼装方式。创建完成的连续拱形组合沉井模型见图2。Ansys运行完成后，采用定义单元表的方式得到沉井截面的弯矩图2 连续拱形组合沉井地下车库模型图1连续拱形组合沉井地下车库平面示意该结构中部是多个外墙为拱形截面的标准节间，标准节间设置横墙支撑外拱墙，横墙上开设方便车辆通过的门洞，两端为半圆形的上、下楼层的坡道。该结构既有圆形或拱形截面沉井的受压为主、弯矩小的承载特性，又具有矩形截面沉井车位布局方便的优势，同时也有利于预制装配结构在沉井式地下车库中的应用。为深人探讨连续拱形组合截面沉井地下车库的受力特性，采用Ansys有限元软件分析该沉井在不同外拱墙矢跨比、不同拼装接头连接方式、不同标准节间数量等条件下的弯矩分布，以优化该结构体系的设计参数，为该技术的推广应用提供理论依据。1有限元分析过程1.17有限元模型的建立设定标准节间的横墙长度为16 m、横向间距为10m,两端半圆形拱墙圆弧的直径为10 m。所有的cae ;smucae 1.2数值分析的变量为揭示外拱墙弯矩变化规律，以弯矩较小为目标进行数值分析。设置的主要参数有：（1)外拱墙矢跨比不同；(2)车库预制装配，在拼装节点采用螺栓连接的情况下,将外拱墙与横墙连接处拱脚节点（预制装配接缝处）设置为铰接；（3）车库整体浇筑，外拱墙与横墙连接处拱脚节点设置为固接；（4）标准节间的跨数。2不有限元分析结果2.1木构件截面弯矩的变化规律2.1.1单跨标准节间和拱脚铰接分析单跨标准节间,其外拱墙与横墙连接处拱脚节点设置为铰接，外拱墙的矢跨比从0 依次增大到0.10 0 0、0.2 0 0 0、0.30 0 0、0.4 0 0 0 和0.50 0 0。矢跨比为0.10 0 0 和0.30 0 0 时拱墙弯矩分布见图3,标准节间外拱墙跨中和拱脚的弯矩随矢跨比变化的曲线见图4。http:/46计算机辅助工程2023年kN.m-0.232E-08202.666405.331607.997991.995(a)矢跨比为0.10 0 0图3单跨标准节间拱脚铰接的外拱墙矢跨比为0.10 0 0、0.30 0 0 时拱墙弯矩分布32-0-2-3-4-5-6-7-8-9-100图4 单跨标准节间拱脚铰接的外拱墙弯矩随矢跨比变化曲线由图3可知，拱脚铰接时标准节间拱脚处的弯矩接近为0，端部半圆形拱墙和横墙处的弯矩也接近0。由图4 可知，当矢跨比由0 增大为0.10 0 0kN.m-3 647.64-2 836.55-2 025.46-1214.372.26(b)矢跨比为0.30 0 0时,外拱墙跨中的弯矩为正值，且随着矢跨比的增大跨中拱脚0.14340.10.2矢跨比弯矩数值变小；当矢跨比由0.2 0 0 0 增大为0.50 0 0时,外拱墙跨中的弯矩为负值,且随着矢跨比增大弯矩的绝对值变大。矢跨比为0.10 0 0 和0.2 0 0 0 时，两侧拱墙弯矩异号，说明在0.10 0 0 0.2 0 0 0 范围内存在弯矩为0的跨比参数。采用二分法逐步逼近寻找该值，0.30.40.5在此过程中，两侧拱墙圆弧的圆心逐步靠近（见图5）。当标准节间两侧圆弧的圆心重合时，外拱墙矢跨比为0.14 34,拱墙弯矩都近似为0。因此，两侧拱墙圆弧的“迹线”位于同一圆弧时，相应矢跨比为外拱墙弯矩接近0 的最优值。O0(0)(a)矢跨比为0.10 0 02.1.2单跨标准节间和拱脚固接分析单跨标准节间，外拱墙与横墙连接处拱脚节点设置为固接，外拱墙的矢跨比从0 依次增大到0.100 0、0.14 3 4、0.2 0 0 0、0.30 0 0、0.4 0 0 0 和0.5000,分析沉井截面弯矩变化规律。在拱脚固接状态下，矢跨比为0 和0.30 0 0 时拱墙的弯矩分布见图6,单跨标准节间外拱墙和端部半圆形拱墙的弯矩随矢跨比的变化曲线见图7。对于标准节间外拱墙和端部半圆形拱墙，随着外拱墙矢跨比的增大：跨中弯矩先由正值减小为0，随后弯矩变为负值并且绝对值不断增大；拱脚弯矩http:/(b)矢跨比为0.14 3 4图5外拱墙“迹线”圆心位置随矢跨比变化示意(c)矢跨比为0.2 0 0 0先由负值逐渐减小为0，随后弯矩变为正值并不断增大。当外拱墙矢跨比为0.14 34 时，所有截面内的弯矩均近似为0,即为最优矢跨比参数。2.1.33跨标准节间拱脚铰接和固接将中间标准节间设置为3跨，拱脚设置为铰接，改变外拱墙矢跨比，分析沉井截面弯矩变化规律。外拱墙矢跨比为0.10 0 0 时，拱脚固接和拱脚铰接的拱墙弯矩分布见图8,3跨标准节间拱脚铰接和固接的拱墙弯矩随矢跨比变化的曲线分别见图9和10。cae ;smucae 第2 期贾强，等：沉井式地下车库承载特性数值分析与结构优化47kN.m-447.915-245.249-42.583160.084362.751(a)矢跨比为0.10 0 0图6单跨标准节间拱脚固接外拱墙矢跨比为0.10 0 0 和0.30 0 0 的拱墙弯矩分布54(uNYcO1)/联321O-2-3-40(a)标准节间外拱墙图7 单跨标准节间拱脚固接的拱墙弯矩随矢跨比变化曲线kN.m-1819.21-1008.58-197.9423(b)