桩梁式托换结构计算模型建立方法研究

2022-09-10

随着现代城市的建设, 城市地下交通设施也得到了很大的发展。地下交通线路的布置原则上尽量利用现有道路干线的地下空间, 但实际工程中总会遇到隧道要从现有建筑物下面或领近空间通过, 建筑物受到影响必须对原结构荷载进行托换。托换工程的核心是将原有结构体系上承受的荷载转换到新的结构体系上, 对原建筑结构来说, 托换过程是二次受力的过程, 不能单纯按照新结构承载力进行设计。本文针对整个新旧结构体系的各个构件, 通过计算各个构件的刚度值, 对托换荷载作用下结构变形进行计算, 总结出建立模型的方法, 为工程实践提供参考。

1 建立计算模型

1.1 对被托换桩与托换桩的分析

在新旧结构体系中, 被托换桩和托换桩有许多不同的特点, 不过桩基在计算模型中都可以简化成弹性支座, 需要计算出桩的竖向刚度, 弹性支座在求得刚度后可以计算出在相应荷载作用下的变形, 所以对桩的研究主要是通过资料数据来计算其竖向刚度。被托换桩的桩型、桩长、截面、材料、地质资料都已经确定, 只需要根据已有的资料进行分析计算得出刚度即可。托换桩的各项参数都需要重新设计, 通过施工空间、结构要求、地质情况等约束条件来确定桩型、桩长、截面、材料等参数。

1.1.1 桩竖向刚度计算方法

目前有许多求桩基刚度的方法, 主要有Mindlin经典理论法、荷载传递函数法、刚性桩法。其中荷载传递函数法采用最多, 计算原理简单明了, 假设模型接近实际情况。

在通过荷载传递函数法计算桩竖向刚度中, 最重要的是要确定传递函数的表达形式。传递函数是表示桩侧摩阻力 (或桩端阻力Pb) 与位移之间的关系 (-s或Pb-s) 的函数表达式。传递函数一般以实验或现场实测资料为基础提出简化的表达式或直接利用实测曲线形式。本文在分析了各种函数后, 选择了充分体现摩阻力与变形关系的表达式:

ξ、η是无量纲系数, τu、Pu分别为桩侧和桩端极限摩阻力, Zcs、Zcb为桩侧极限位移和桩端极限沉降值, Z为实际位移或沉降值。ξ、η是根据地质情况来进行选择。

在已知桩长、桩径、桩身混凝土弹性模量等参数以及传递函数形式及其各项系数后, 将桩按土层不同分为几层, 每层取近似整数, 再把每层细分为一米每段的桩段。

本文编制了依据荷载传递函数法的计算程序PSCP, 绘制出此桩的P-S曲线后, 就可将此桩的桩顶荷载代入曲线中, 通过临近点插值得到此桩的在此荷载下的刚度和沉降量。

1.1.2 桩在模型中的作用

得到了被托换桩和托换桩的P-S曲线后, 就可以得到已知荷载下桩的沉降量, 桩的刚度K=P/S也就可以得到。桩可以假设为弹性支座。

1.2 托换梁设计

托换梁在整个计算模型中非常关键, 不光要考虑托换桩和梁在并联之后的刚度不应小于原结构桩基的竖向刚度, 各截面内力也必须满足材料强度要求。首先要求出梁自身的刚度。在实际工程中, 托换梁为了能顺利将荷载托换到托换桩上, 有可能设计成单向或双向梁系。

1.2.1 单向梁刚度计算

单向托换梁的刚度计算可以把梁当做杆单元, 不考虑平面外的变形, 求出整体刚度矩阵。桩的竖向刚度是一个数值, 梁的刚度却是由矩阵来表示的, 在程序设计中采用了将梁的刚度矩阵凝聚到与桩进行并联的节点, 使刚度矩阵凝聚为在一个节点处刚度值。

1.2.2 双向梁刚度计算

实际工程中大部分采用到双向托换梁系, 为了在模型中考虑到起作用的变形自由度, 在计算双向梁刚度时, 单元刚度矩阵考虑了平面外的扭转和弯曲。建立单元刚度矩阵, 编制了计算梁刚度的计算程序BSAP, 为了实现桩梁刚度的并联, 程序采用了在单向梁计算中使用的刚度凝聚方法, 将求解值做为边界节点, 凝聚出整个结构在这个点处的刚度值。

(1) 单元的荷载向量和变形向量:

(2) 单元刚度矩阵:

(3) 刚度凝聚方法计算方程:

本文中通过编制PSCP和BSAP程序分别计算出桩与梁的刚度, 把桩与梁的刚度进行并联后, 进一步对比并联刚度与原桩竖向刚度的值, 如并联刚度大于原刚度, 就可采用梁的截面设计参数, 如果不满足要求, 还需重新设计梁的参数, 使结果满足要求。

2 算例应用

工程实例取自广州地铁五号线五羊新城区间广铁集团住宿区托换工程, 原建筑为一栋十层住宅楼, 一层架空。通过运用上文提出的方法与程序, 求出托换前原柱下桩基的竖向刚度, 托换后托换体系的并联刚度, 保证托换体系的刚度不小于托换前。再利用已有数据建立计算模型, 进一步确定托换方案, 求出上部结构托换前后内力的变化情况。取托换梁系中荷载为8340K N的柱下桩基和托换桩进行分析。经过分析调整, 确定模型各构件数据如下:

K1-原托换桩竖向刚度

K2-托换桩竖向刚度

K3-托换梁抗弯刚度

3 结语

本文通过分析托换体系中各构件所起作用, 编制了pscp、bsap程序, 计算得到了桩基和托换梁的刚度, 建立了通用计算模型。并通过托换桩与托换梁刚度串联后得到的刚度与原桩基刚度进行对比, 保证新托换体系满足刚度要求。在实例应用中, 使用本文提出的方法, 得到了满足要求的结果, 证实了文中方法的可行性。

摘要:本文研究了在城市建设中需要进行建筑物基础托换时建立托换结构计算模型的方法。在建立模型的过程中通过编制程序得到了桩基竖向刚度和托换梁刚度的计算方法。

关键词:桩梁托换,桩基竖向刚度,托换梁刚度

数学工程计算模型研究论文

码头工程建设对长江中游典型河段水流影响的数值模拟研究

摘要:为了研究码头工程建设对荆江公安河段河道水流的影响,通过建立平面二维水流数学模型,计算分析了工程建设前后附近河段的水位、流速变化情况。结果表明:工程建设对其所在河段的水位和流速影响较小,不会对工程河段河势、行洪带来较大影响。建立的二维水流数学模型可准确模拟工程河段水流运动特性,可为研究工程前后河道水流、水位变化提供较为可靠的依据。

关键词:水位;流速;数学模型;码头工程;公安河段;长江中游

中图法分类号:TV147

文献标志码:A

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