塔吊荷载对地连墙影响数值分析

刘　奎

(长沙市公路桥梁建设有限责任公司，湖南 长沙　410000)



塔吊荷载对地连墙影响数值分析

刘奎

(长沙市公路桥梁建设有限责任公司，湖南 长沙410000)

运用Abaqus软件对承受塔吊荷载的地连墙受力变形情况进行了有限元分析。首先分析了塔吊荷载对地连墙的影响，然后综合计算分析了地连墙承受土压力、塔吊荷载和自重共同作用的受力变形情况。结果表明，随着锚碇基坑开挖深度的加大，地连墙的逐步加深，塔吊荷载对地连墙的影响逐步减小，将塔吊直接安放在地连墙上的施工方案是完全可行的。

；桥梁工程；塔吊；地连墙；Abaqus；受力变形

0　引言

某高速大桥位于湖南省岳阳市七里山(大桥以北下游3 km湘江入长江的咽喉地段)，全长2 390 m，是某高速公路重点控制性工程。主跨1 480 m，为两跨不对称钢桁梁悬索桥，其锚碇基础为支护开挖深埋扩大基础，基坑采用葫芦形地连墙支护结构体系，地连墙内侧沿竖向设置不等厚的内衬支护。基坑采用逆作法分层开挖土体，地连墙帽梁顶标高28.0 m，高度为3 m；第1、2层和标高5.0 m以下内衬及土体分层高度为2.5 m，其余高度均为3.0 m。基础顶面以下0～9 m深度内内衬厚1.5 m，9～18 m深度内厚2.0 m，超过18 m深度厚2.5 m。地连墙平面构造见图1。

图1　1/2地连墙平面图(单位；cm)

地连墙槽口两侧均布置导墙，导墙顶标高为28.0 m，为钢筋混凝土结构，由原设计的“┗”型变更设计为“┓”型。锚碇基坑开挖时，如按以前的常规方法将塔吊布置在地连墙外侧，将必须破除相当大面积的钢筋混凝土导墙。为加快施工进度，节约施工成本，更合理地利用施工资源，决定将塔吊直接安放在地连墙帽梁上。为分析地连墙在承受塔吊荷载作用下的受力变形情况，确保施工安全和工程质量，对承受塔吊荷载作用下的地连墙和内衬进行有限元分析计算。

1　塔吊荷载计算过程及可行性

拟采用的塔吊型号为TC6515B-12，共布置3台。根据塔吊生产厂家提供的说明书，塔吊固定式基础的最不利荷载计算，见计算荷载布置图2。

图2　计算荷载布置图

实际计算中，为避免施加节点集中荷载导致计算不收敛的问题，将塔吊基础荷载全部转化为等效面荷载。工作状态下，弯矩等效拉应力计算值为0.6 MPa，弯矩等效压应力计算值为0.9 MPa，扭矩等效水平应力计算值为0.13 MPa，水平力的等效应力计算值为0.06 MPa。非工作状态下，弯矩等效拉应力计算值为0.85 MPa，弯矩等效压应力计算值为105 MPa，水平力的等效应力计算值为0.25 MPa，按计算值换算成的荷载均比最不利荷载略大，可推断这种假定具备可行性。

2　计算工况

基坑开挖和内衬采用逆作法分层施工，每层土体开挖完成而未浇筑内衬混凝土时为地连墙受力最不利情况。根据内衬施工顺序，结合考虑内衬厚度，本文选取3种工况进行计算，见表1。

表1 计算工况表工况状况描述工况1帽梁施工完成,1.5m厚内衬第1层开挖完成未浇筑混凝土工况21.5m厚第1层内衬施工完成,2.0m厚内衬第1层开挖完成未浇筑混凝土工况3最后一层内衬开挖完成未浇筑混凝土 注:每种工况下,分塔吊工作状态和非工作状态分别进行计算。

3　Abaqus有限元计算分析

3.1Abaqus有限元模型

采用C3D8R单元模拟混凝土，它为8节点六面体实体单元[1]，采用减缩积分方法，具有沙漏控制和避免剪切闭锁功能[2]；采用T3D2单元模拟钢筋，它为三维2节点桁架单元。采用在混凝土中植入钢筋的办法建立钢筋和混凝土之间的连接[3]。地连墙有限元模型如图3。

图3　1/2地连墙有限元模型

混凝土本构采用损伤塑性模型，钢筋采用理性弹塑性模型。地连墙和内衬分别采用C35和C30混凝土，D32钢筋采用HRB500，其余钢筋均为HRB400。混凝土的抗压、抗拉强度设计值和弹性模量根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010[4]取值，钢筋的强度设计值和弹性模量根据《钢结构设计规范》GB50017-2003[5]取值。混凝土的其它材料参数取值如表2[6]。

表2 混凝土材料参数表ψ/(°)εαfκcμ300.11.160.6670.0005 注:ψ为膨胀角;ε为流动势偏移值;αf为双轴等压极限抗压强度与单轴极限抗压强度比;κc为拉伸子午线和压缩子午线上的第2应力不变量之比;μ表示粘性系数,代表粘塑性系统随时间的松弛。

3.2塔吊荷载影响计算结果与分析

在塔吊荷载作用下，运用Abaqus计算的各工况下结构应力和变形如表3所示。

表3 各工况下结构应力和变形工况塔吊状态混凝土钢筋最大Mises应力/MPa最大位移/mm最大Mises应力/MPa最大位移/mm工况1工作状态0.9040.5811.890.55非工作状态1.7011.2314.621.19工况2工作状态0.7530.2810.050.26非工作状态1.2360.7313.30.71工况3工作状态0.7150.2711.910.26非工作状态1.2020.7715.680.75

由表3可知，塔吊非工作状态下，其受力情况比工作状态下更不利(非工作状态下考虑了48 m/s风速的作用)，因此，本文将重点研究塔吊非工作状态下的结构受力变形情况。非工作状态下，塔吊作用位置正下方地连墙应力变形云图如图4所示。

由图3和表3可知，塔吊荷载引起的最大应力未超过16 MPa，位移未超过1.3 mm。塔吊荷载在地连墙中的扩散范围，沿高度方向仅约8 m，水平方向仅约10 m。超过这个范围，塔吊的影响相当微弱。塔吊荷载虽然较大，但相对于平面尺寸大的多的地连墙而言，其作用仅相当于局部荷载，对地连墙整体的影响并不大。

3.3地连墙最不利受力计算

在土压力、塔吊和自重多种荷载共同作用下，地连墙受力最不利状况为工况3，即最后一层内衬开挖完成未浇筑混凝土的时候。为确保安全，对工况3地连墙承受土压力、自重和塔吊荷载(非工作状态)的共同作用进行计算。锚碇区基本为粘性土和砂类土，其容重取值为18 kN/m3，考虑到土压力的不确定因素较多，计算土压力时偏安全地简单地把土当做流体，土压力与深度成正比，为三角形荷载；混凝土容重取值为25 kN/m3，荷载如图5所示。

a) 工况1

b) 工况2

c) 工况3

图5　最不利荷载图

计算结果如表4所示。

表4 最不利状况下应力和变形工况仅塔吊荷载多种荷载最大Mises应力/MPa最大位移/mm最大Mises应力/MPa最大位移/mm工况3混凝土1.2020.775.324.25钢筋15.680.75165.34.2

由表4可知，最不利情况下，混凝土和钢筋的最大应力均远低于其强度设计值，结构是安全的。通过仅塔吊荷载和多种荷载共同作用的比较可看出，塔吊荷载的影响相对于土压力和自重而言，是相当微小的。

3.4混凝土抗裂性计算分析

为研究塔吊对地连墙混凝土的抗裂性能的影响，提取各工况下混凝土的最大主拉应力，如表5所示。

表5 最大主拉应力及其位置工况荷载最大主拉应力/MPa位置工况1仅塔吊荷载0.701帽梁顶塔吊作用点正下方工况2仅塔吊荷载0.744帽梁顶塔吊作用点正下方工况3仅塔吊荷载0.741距帽梁顶1m塔吊作用点正下方多种荷载1.846最后一层内衬底、地连墙与隔墙相交处

塔吊荷载作用下，最大主拉应力的分布和图4所示的Mises应力分布基本一致，塔吊作用点位置应力最大，距塔吊作用点越远，应力越小。由图4和表5可知，塔吊引起的最大主拉应力远低于混凝土抗拉强度标准值，而且其影响范围基本局限于塔吊安装点周围，而土压力和自重的影响主要在地连墙下部，两者主要作用范围不重叠。工况3多种荷载共同作用下，混凝土最大主拉应力已经接近混凝土抗拉强度设计值，主要是由土压力和自重造成的。塔吊荷载对地连墙混凝土开裂的不利影响很有限。

4　结论

本文运用Abaqus对承受塔吊荷载的地连墙进行数值分析，并计算了土压力、自重和塔吊荷载共同作用下的地连墙，可得出以下主要结论：

1) 塔吊荷载虽然较大，但相对于平面尺寸大的多的地连墙而言，其作用仅相当于局部荷载，对地连墙整体的影响并不大，塔吊荷载引起的地连墙的应力和变形较小，对混凝土开裂影响也较小。

2) 在土压力、自重和塔吊荷载共同作用下，受力最不利情况下，地连墙混凝土和钢筋的最大应力均远低于其强度设计值，结构是安全的。

3) 将塔吊直接安装在地连墙上的施工方案是完全可行的。此方案省工省时，更合理地利用了施工资源，建议以后类似工程均按此方案布置塔吊等施工设备。

[1]Prathap，G.The Poor Bending Reponse of the Four-Node PlaneStress Quadrilaterals[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering，1985，21(1)：825-835.

[2]Belytschko，T.W，K.Liu，J.M.Kennedy，.Hourglass Control in Linear and Nonlinear Problems[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1984，43(1)：251-276.

[3]王玉镯，傅传国.Abaqus结构工程分析及实例详解[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].

[5]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[6]劳红峰.配500MPa钢筋后张有粘结预应力混凝土梁非线性有限元分析[D].上海：同济大学，2012.

2016-04-11

刘奎(1983-)，男，工程师，主要从事路桥建设。

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