【实际项目】基于ANSYS某超高层大型深基坑支撑结构内力计算分析

基坑工程的开挖与支护一直是一个综合性的工程难题，涉及各个领域的知识和技术，具有安全储备小、风险性搞、制约因素多、区域性墙、环境效益明显、影响大、计算理论不完善、经验性强等诸多特点。其中一个尤为突出的特点便是理论与实践并重，稍有不慎，便会引起巨大的工程事故，下列为近几年比较典型的基坑工程事故。

    深基坑支护体系包括土体、围护结构以及支撑结构，是一个保护影响域内建筑物等的空间动态体系。其中支撑结构是基坑支护结构的重要组成部分，它由支撑杆件、环梁、立柱、吊杆等构件组成，是一个承受围护结构所传递的土压力、水压力的结构体系。支撑结构必须稳定、结点连接构造必须可靠，支撑与竖向围护结构共同作用为基坑施工提供一个可靠的结构空间。

     一般来讲，基坑支撑结构计算方法分为如下三种简化算法：

1、不考虑共同作用的简化算法

        该方法将水平支撑结构视为不动铰，计算简图如下所示，但这种处理方法过高地估计了水平支撑结构对竖向围护结构变形的约束作用。

 

2、平面框架计算模型

       该方法是先对平面框架进行平面分析，分析得到产生单位法向变形值，美每延米的支撑力及支撑的等效刚度。再将支撑等效刚度作用于每层支撑结构处，并对围护体系进行平面分析，力学分析模型如下所示。此种方法建模简单有效，但一般适用于平面比较规则的支撑体系，且需要足够丰富的工程经验。

3、空间杆系分析方法

      该方法假定竖向围护桩余其后土体构成一个平面共同工作体系，每层水平支撑结构将竖向围护桩连接起来，组成空间结构体系。该方法考虑了水平支撑结构形成的支撑桩间作用，受力明确，但此种方法建模工作量较大。力学模型如下：

        本次分享的实际项目为某地超高层建筑深基坑支撑结构体系的计算，该超高层主楼地上51层，副楼地上32层，裙房地上8层，整体设置四层地下室，基坑开挖范围约为84mX111m,主楼区域挖深23.6m，裙楼区域挖深21.6m，周围布置地下连续墙，并设置两道支撑。

       基坑东侧、南侧为高层居民住宅区，桩基础，一层地下室，基坑北侧、西侧为市政道路，人行道与道路下埋设有雨水管道、给水管道、通讯管道、污水管道、电力管道。地下室外边线距离东侧、南侧居民楼约6m，离北侧、西侧道路仅3m，场地用地条件非常紧张。

        该区域典型地质剖面图如下：

    砂岩原状断面特写图如下：

       本基坑平面较为规则，采用平面框架方法进行支撑结构的内力计算，支撑位置选取第二道支撑，软件采用ANSYS。

       相关结构构件尺寸如下：

       环梁：1600mmX800mm

       围檩：1200mmX800mm

       立柱：700mmX700mm

       连系杆件：400mmX400mm\500mmX500mm

       结构采用梁单元beam4进行模拟，边界平行于XY平面考虑采用土弹簧进行模拟，土弹簧采用combin39,通过对单元关键项的设置以及F-D曲线的设置实现单向受压功能。土弹簧地基反力系数根据经验取值20MPa。

        支撑结构整体平面布置如下所示：

        支撑结构所受线荷载最后折算为340KN/m,加载示意图如下：

       结构约束图：如下

       结构内力计算结果

       结构弯矩图：

        结构轴力图：

       结构剪力图

         结构位移云图

        从图中可见，在栈桥与环梁和围檩相连处杆件所受弯矩和轴力较大，此处杆件应进行加强设计。其余部分杆件可通过后处理提取内力值按构件设计方法进行截面配筋设计。

        结语：基坑计算考虑的因素较多，目前尚没有一套完整的体系来恒定计算结果是否正确，只能根据相应的工程经验来判定。故在实际工程中，项目经验尤为重要。