预应力鱼腹梁钢支撑基于 Midas／GTS 软件的数值分析

预应力鱼腹梁钢支撑基于 Midas／GTS 软件的数值分析王凯【摘要】以杭州紫荆港基坑支护工程为例，结合该工程的地层岩性及水文地质概况，采用Midas／GTS数值模拟软件，对预应力鱼腹梁支护结构总的位移、轴力、弯矩计算结果进行了分析，得到了支撑体系在基坑开挖过程中各个杆件的强度及基坑变形情况。

%Taking the Hangzhou Zijing port foundation pit support engineering for example,combining with the engineering formation lithology and hydrology geology general situation,using Midas/GTS numerical simulation software,analyzed the total displacement,axial force,bending moment calculation results of pre-stressed fish-bellied beam steel support structure,gained the strength and foundation pit deformation situation of each bar of support system in foundation pit excavation process.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2016(000)006【总页数】3页(P77-78,79)【关键词】基坑;数值模拟;预应力;鱼腹梁;钢支撑;位移【作者】王凯【作者单位】上海强劲地基工程股份有限公司，上海 200233【正文语种】中文【中图分类】TU4631.1 工程概况杭州紫荆港基坑为近似四方形，南北方向长度为110 m，东西方向为145 m，基坑开挖深度为10.9 m，基坑周边环境较好，四周均为道路，距离基坑开挖边界线约10 m，道路下方埋设有相应管线，距离基坑开挖边界线约为13 m。

1.2 工程地质以及水文地质概况①层：杂填土。

人工堆积层，灰色、灰褐、灰黄等色，松散为主，上部段主要由块石、碎石、碎砖、混凝土块、陶瓷片、建筑碎渣等粗颗粒和粘性土细颗粒等物质组成；下部段主要由细颗粒粘性土含粗颗粒碎石碎砖物质组成；工程性能不稳定，整体属高压缩性土层。

②层：粉质粘土。

为第四系全新统上组冲海积沉积层（Q34）。

灰黄、褐黄色，软可塑为主，很湿～饱和，厚层状为主，粉量较高，含铁锰质斑点，干强度高，中等韧性，摇振反应无。

标准贯入试验实测锤击数N = 8击～9击，平均值N = 8击。

该层俗称“硬壳层”工程性能尚可，属中等压缩性土层。

③层：淤泥质粘土。

为全新统中组（Q24）海积相沉积层。

灰色，流塑，饱和，部分孔段夹淤泥，含水量高，厚层状，自稳性差，含腐殖物和有机质，干强度中等，中等韧性，摇振反应无，切面光滑，属高压缩性土层。

④层为上更新统上组（Q2-23）冲湖积相沉积层，俗称“第二硬土层”。

根据物质组成和土性差异将其划分为两个亚层（④-1层～④-2层）。

④-1层：粉质粘土。

灰黄、褐黄色，可塑～硬塑，很湿，厚层状，含铁锰质斑点，层底渐向粉土过渡，干强度高，高韧性，摇振反应无，切面光滑。

该层工程性能较好，属中等压缩性土层。

④-2层：粘质粉土。

灰黄、褐黄色，稍密，很湿，层状，由粉土夹薄层粘性土构成，含云母碎屑，含铁锰质斑点，干强度中等，低韧性，摇振反应慢，无光泽。

该层工程性能尚可，属中等压缩性土层。

⑤层：粘土。

上更新统上组（Q2-23）海积相沉积层，灰色，软塑，饱和，厚层状，含腐殖质，含有机质，干强度高，中等韧性，摇振反应无，切面光滑。

该层工程性能差，属高压缩性土层。

⑥层为上更新统下组（Q13）冲湖相沉积，俗称“第三硬土层”。

此层曾出露地表，经氧化、淋滤及失水固结形成的。

根据物质组成和土性差异将其划分为四个亚层（⑥-1层～⑥-4层）。

⑥-1层：粘土。

灰绿、灰黄、褐黄色，硬可塑，很湿，厚层状，含铁锰质斑点，干强度高，高韧性，摇振反应无，切面光滑。

主要土层的物理力学参数如表1所示。

根据基坑的开挖深度，基坑周边环境和土层的物理力学参数，基坑竖向围护采用双排桩的围护形式，前排桩采用H700×300× 13×24的型钢密插布置，插入深度10.7 m，后排桩采用H500× 200×10×16的型钢，水平间距2.0 m，插入深度7.7 m，前排桩均采用φ850六轴水泥土搅拌桩进行止水，后排桩采用φ650六轴水泥土搅拌桩进行加固，前后排桩中心间距3.25 m，连梁尺寸为C30 700×600。

水平支撑采用一道预应力鱼腹梁钢支撑，围檩为三拼H428×407×20×35型钢+C50 700×600钢筋混凝土腰梁，对角撑为H400×400×13×21型钢，典型剖面图详见图1。

根据同济启明星深基坑支挡结构设计计算软件可以算出在基坑开挖和换撑的整个过程中，支撑的支撑反力标准值最大值为464 kN/m，将该支撑反力作为下一步数值计算作用在支撑体系上的土压力。

3.1 数值计算方法简介Midas/GTS是大型通用有限元商业软件，主要针对岩土隧道领域结构分析所需要的功能直接开发的程序。

Midas提供了多样化的建模方式，强大分析功能，利用最新求解器获得最快的分析速度。

普通的结构分析软件不能施加预应力，本工程中对预应力鱼腹梁钢支撑体系支护模拟时需要施加预应力，故优选Midas/ GTS进行计算。

3.2 数值计算模型3.2.1 基本假设由于剖面计算已经得出了支撑处的支撑反力，故将水平支撑体系作为平面问题处理。

由于支撑体系要施加预应力，预应力的施加会激发竖向围护后面土体的被动土压力，故采用仅受压弹簧模拟被动土压力激发区域的土体。

作用在围檩上的土压力为剖面计算得出的支撑反力，按均布荷载考虑。

3.2.2 计算模型严格按照实际工程原型尺寸进行建模，其中围檩、腹杆采用梁单元，对撑、角撑、斜腹杆采用杆单元，钢绞线仅为受拉杆单元，大三角桁架由于刚度大，与单根H型钢相比，可考虑成一个刚域，故大三角桁架采用平面板单元。

C50 700×600钢筋混凝土腰梁简化为一拼H428×407×20×35型钢围檩。

建立好的支护结构模型如图2所示。

3.2.3 计算过程数值计算按照预应力鱼梁组合式钢支撑安装先后顺序分为三个工况进行模拟。

工况1：激活除钢绞线以外的支撑结构网格组，施加边界土压力弹簧，施加对撑、角撑预应力，对角撑的预应力值按照土压力标准值的80%施加；工况2：施加钢绞线预应力值，预应力值按照土压力标准值100%施加；对角撑预应力施加值如表2所示。

工况3：施加土压力荷载。

以上三个工况中，工况3为最不利工况，本部分主要对工况3的受力结果进行分析，以下所有内容均为工况3的计算结果。

计算结果显示预应力鱼腹梁支护结构总的位移、轴力、弯矩计算结果是：1）在鱼腹梁中部和大对撑、角撑位置处的围檩的位移较小，主要是由于施加预应力控制变形的结果，位移较大的区域为角撑之间的区域。

2）结构围檩与对撑、角撑均只受较大的压缩轴力，钢绞线只受拉伸轴力，其中鱼腹梁范围内的围檩所受的轴力要大于其他部分围檩轴力，原因是钢绞线张拉使鱼腹梁范围内的围檩受力偏大。

在土压力作用前后钢绞线的轴力没有发生变化，原因在于施加钢绞线预应力值是按照土压力作用时计算得到的钢绞线轴力值施加的，在土压力作用后，钢绞线轴力值并不会发生显著变化。

3）弯矩分布的规律是在对撑、角撑三角刚域角点与围檩连接点的弯矩值偏大。

4.1 位移分析如图3所示，基坑侧壁X方向位移最大值位于基坑的东南角，位移为31 mm，小于50 mm，位移满足规范要求。

如图4所示，基坑侧壁Y方向位移最大值位于基坑的东南角，位移为42.5 mm，小于50 mm，位移满足规范要求。

4.2 围檩强度分析如图5所示，基坑H428×407×20×35围檩轴力最大处位于基坑东侧鱼腹梁下，数值为25 462.5 kN，对角撑轴力最大为1 464.6 kN，位于对撑DC-01处。

如图6所示，基坑H428×407×20×35围檩弯矩最大处位于基坑西南侧鱼腹梁下，数值为7 456.7 kN·m。

4.2.1 围檩强度分析通过对计算结果的查询可以得出：围檩组合应力最大处，其轴力FN= 23 350.58 kN×1.375 =32 107.04 kN。

围檩弯矩：My= 4 381.58×1.375 =6 024.67 kN·m。

围檩强度验算：围檩强度满足规范要求。

4.2.2 对角撑强度分析通过对计算结果的查询可以得出：对角撑轴力最大2 179.39 kN，位于对撑DC-01处，对角撑进行验算时考虑0.02 m的初始偏心。

对撑强度验算：对撑强度满足规范要求。

从上述的数值分析结果可知：1）预应力鱼腹梁钢结构支撑体系作为支撑，基坑变形控制较好，能较好的保护基坑周边的环境；2）通过强度验算可知预应力鱼腹梁的围檩以及对角撑构件的强度满足要求，支撑效果好；3）通过Midas/GTS软件的运用能够较好的模拟施加预应力的过程，能为设计提供相应的参考。

【相关文献】［1］刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.第2版.北京：中国建筑工业出版社，2009.［2］JGJ 120—2012，建筑基坑支护技术规程［S］.［3］连秀艳，张靖超.鱼腹梁式钢支撑在基坑工程中的应用情况［J］.山西建筑，2013，39（15）：67-68.［4］吕奇.IPS内支撑在深基坑工程中的应用［Z］.。