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衬砌厚度对山洞式立体停车库施工的影响
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衬砌厚度对山洞式立体停车库施工的影响

摘要:

本文通过重庆某山洞式立体车库的实例分析,通过有限元软件ANSYS模拟了山洞式立体停车库衬砌厚度依次为0.6m、0.8m、0.4m三种情况下的受力状态,得出其各自的位移、变形、应力值之间的大小关系,计算结果对实际工程有一定的借鉴作用。

关键词:立体车库,有限元,衬砌厚度

ABSTRACT

Through the finite element software ANSYS to simulate the cave type parking equipment for the excavation of the main structure of three kinds of working condition, the difference of three kinds of working conditions for the concrete lining thickness is different. respectively are 0.6 m, 0.8 m, 0.4 m. And concluded from the size of the relationship among their respective deformation, displacement , stress value under different excavation conditions, and hope to be able to as a reference for practical engineering.

KEY WORDS: cave type parking equipment;PLC;finite element;the thickness of the lining

1引言

地下立式停车场,又名为山洞式立体停车库。该类停车场主要是修建于地面至地下一定深度(根据停车库的停车数量要求及地层岩性来确定),地下立体停车库的相比其他停车场的最大优势就是取消停车场与地面间车道和绕道,靠提升机实现地面和地下的调度[1]。

山洞式立体停车库为地下条形或柱形建筑物,结构组成部分与一般的地下建筑物,如深基坑、隧道,有较大的相似点。一般由开完前的预支护结构(如钢板桩、地下连续墙等)、支护结构及支撑结构组成。对于山洞式立体停车库的主体结构施工,主要借鉴深基坑的开挖方法,一般为工程中较为常用的分层逆作法。

分层逆作法的开挖方法为:分层开挖一定的深度,开挖完成后,在开挖面喷射一定厚度的混凝土,并制作土钉(本例为锚杆),控制岩体的变形。当混凝土达到设计强度或者岩体的变形已经收敛,继续开挖第二层岩体,然后喷射混凝土及制作土钉,以此循环,直至开挖工作完成。

本文主要研究的是开挖过程中,喷射混凝土厚度对于山洞氏立体停车库施工的影响,主要借用大型有限元分析软件ANSYS来对这个过程进行模拟、分析并得出相应结论。

2数值模型与参数

本山洞式式立体停车库地址拟建在重庆,由于重庆地理条件较好,故在建设过程中只考虑三种岩土体(从上至下分别为:杂填土、砂岩、泥岩)。而本山洞式立体车库主体结构部分为一标准的圆柱体,圆柱体的半径为9米,高度(即垂直深度)为40米,因为的垂直深度为40米,故开挖深度为40米。

实际工程中,最上层五米为杂填土,第五米到三十五米为泥岩,泥岩以下皆为砂岩,在建模时根据不同的材料划分不同的属性。考虑到再开挖过程中,对周围岩体产生扰动,进而对整个工程产生影响,所以,建模时,应考虑到开挖影响范围[25],故建模的高度为120米,半径为60米。本例是一个空间完全对称的结构,在利用ANSYS进行计算时,可以简化为一个平面轴对称模型,轴对称处理完以后,可通过扩展命令得到整体计算模型[2]、[3]。

本工程拟定三种衬砌厚度,即对应三种工况,依次为:第一种工况,衬砌厚度0.6m;第二种工况,衬砌厚度0.8m;第三种工况,衬砌厚度0.4m。

 

图1 立体车库3/4单元模型

表1  各材料参数

材料名称 弹性模量E 泊松比u 密度ρ 粘聚力f 内摩擦角φ
杂填土 0.008GPa 0.45 19.0KN/m³ 19KPa 25°
泥岩 1.50GPa 0.35 24.8KN/m³ 300KPa 31.8°
砂岩 3.00GPa 0.3 24.9KN/m³ 650KPa 37.5°
喷射混凝土 27.5GPa 0.2 2500KN/m³
等效连续墙 40.0GPa 0.2 2400KN/m³
锚杆 200.0GPa 0.3 7800KN/m³

 

3数值实验结果分析:

本例用有限元软件ANSYS模拟其施工步骤,其模拟过程应与实际施工过程相适应。其具体的模拟过程为:首先根据实际的模型建立好有限元单元模型,然后对其进行网格划分,对不同的材料赋予不同的材料属性,完成前处理过程。对建好的模型施加节点约束及自重,然后进行第一次计算[4]。

在第一步计算实际上为岩体在自重应力作用下的变形,定义为第一种工况。然后模拟开挖,将第一层土体单元杀死,对第一层的各节点力进行部分释放,制作撑起及锚杆,将开挖面附近的单元激活,并赋予衬砌的材料属性,建立杆单元用于模拟土钉。完成这两步相当于是完成了第一层的支护,并将节点力完全释放,计算,并提取下一层土的节点力。以上述方法开挖以下的土体,直至工程结束[5]。

图2  三种工况X方向的位移云图

从图中可以看出,整个模型中,X方向位移最大值出现在靠近顶部且靠近开挖面的地方,并由此可以看出,水平方向的位移是趋近于开挖面的。

图3 节点46(地面靠近开挖面的节点)的竖向位移变化情况

表2 三种施工方案结果对比

         指标 施工方案 水平位移(最大/最终) 最终竖向位移 X方向最大应力 Y方向最大应力
一(衬砌厚度0.6m) 21.15/19.18mm 77.70mm -0.78Mpa/0.22Mpa -5.14Mpa/0.51Mpa
二(衬砌厚度0.8m) 21.08/18.91mm 77.66mm -0.75Mpa/0.28Mpa -5.01Mpa/0.52Mpa
三(衬砌厚度0.4m) 21.88/20.00mm 77.74mm -1.38Mpa/0.15Mpa -6.01Mpa/0.73Mpa

由表中可以看出,第二种施工方案的最终沉降量最小,那么相应的,此施工方案因开挖而引起的变形也就最大。第三种施工方案因施工引起的变形量最小,而第一种介于二者之间。

从表2的后两项指标中的最大应力值皆指开挖面附近、锚杆及混凝土衬砌的应力值中的较大值,而不是整个模型中出现的最大应力值。从表中可以看出可以看出,混凝土衬砌厚度的不同,各值的大小不同,且变化趋势也不相同,但相对变化值都较小。

4结论

本章主要从山洞式立体停车库的主体结构开挖出发,通过有限元软件ANSYS计算在三种不同情况下,主体结构的水平位移、竖向沉降、X及Y方向的应力变化及其数值大小。通过比对,得出如下的相关结论:

  • 在其他条件均不变的情况下,水平位移值是与混凝土衬砌厚度密切相关的,且在一定范围内,水平位移是随着混凝土厚度的增加而减小的;
  • 因施工而引起的竖向沉降量同样与混凝土衬砌的厚度相关,在一定范围内,竖向沉降量与混凝土厚度成正相关;
  • 水平位移值及竖向沉降量都是逐渐减小,且由收敛的趋势,而本例中,三种施工方案所引起的位移值都在安全标准范围内;
  • 应力的大小与混凝土厚度有一定的联系,从计算图形中可以看出,混凝土厚度越大,其应力值越小,但是其周围岩体的应力值反而越大;

在做施工方案选择,或设计时,应根据具体情况(如岩层特性、混凝土标号、混凝土承载能力、锚杆的参数及性能等因素),选择合适的施工方案。但是,在岩体较好,且锚杆及混凝土极限承载能力较好的情况下,为控制水平位移,应适当提高混凝土厚度,来保证位移值在安全标准范围内。

 

 

参考文献:

[1] 贺拥军,杨承超,周绪红.立体车库的应用形式及发展与应用[J],建筑科学与工程学报,2009,12

[2] 李围.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京:中国水利出版社,2007

[3] 刘相新,孟宪颐.ANSYS基础与应用教程[M],北京:科学出版社,2006

[4] OMRON SYSMAC C一series Raek PCs Optieal Remote I/0 SYSTEM MANUAL,1990

[5] 王成.隧道工程[M].北京:人民交通出版社,2009.8

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