樁梁式托換技術(shù)有限元分析

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1、專業(yè)知識(shí)分享版摘要:地鐵施工穿越既有建筑物樁基礎(chǔ)時(shí)，可采用樁梁式托換技術(shù)支撐上部結(jié)構(gòu)和截除下方樁基礎(chǔ)。運(yùn)用ANSYS有限元程序中的“單元生死”技術(shù)，可對(duì)托換前、托換后和截樁三個(gè)托換工況下樁和框架柱的軸力變化以及變形特性進(jìn)行數(shù)值分析。研究結(jié)果表明:被動(dòng)托換是在樁截除時(shí)，托換荷載通過托換梁傳遞到托換樁，托換梁跨中的下?lián)蠒?huì)引起被托換框架柱軸力減少和鄰近框架柱軸力增大;主動(dòng)托換是在千斤頂?shù)捻斏^程中，托換荷載通過托換梁傳遞到托換樁，頂升過程中被托換處的各層框架柱軸力值增加，而鄰近框架柱軸力減少;當(dāng)頂升至被托換樁軸力為零再進(jìn)行截樁，可保證截樁前后的托換體系軸力

2、、變形不發(fā)生變化。主動(dòng)托換樁頂沉降差與被動(dòng)托換相比小得多。關(guān)鍵詞:樁梁式托換;主動(dòng)托換;數(shù)值分析;荷載轉(zhuǎn)換0引言樁梁式托換是一種用新型的由托換樁和托換梁組成的托換結(jié)構(gòu)來替換既有建筑物的原基礎(chǔ)的技術(shù)。該技術(shù)通常用于地鐵建設(shè)中需要穿越既有建筑物下方樁基礎(chǔ)的各類工程［1］。托換梁通過新舊混凝土交接面的處理與被托換建筑物的柱相連接，使既有建筑物的上部荷載通過柱較均勻地傳遞到托換結(jié)構(gòu)上，便于截除原基礎(chǔ)和地鐵穿越(如圖1所示)［2］。樁梁式托換在20世紀(jì)30年代美國(guó)紐約市興建地下鐵道時(shí)開始應(yīng)用［3］。之后，該技術(shù)在德國(guó)、日本等地鐵建設(shè)中得到推廣［4，5］。我國(guó)的

3、托換工程數(shù)量和規(guī)模隨著基本建設(shè)的發(fā)展不斷增長(zhǎng)，在廣州、深圳和天津?yàn)I海新區(qū)地鐵建設(shè)中均采用了該技術(shù)［6－8］。然而在工程實(shí)踐的同時(shí)，樁梁式托換變形不易控制的技術(shù)難題也逐步暴露出來［9，10］。1有限元分析模型1．1工程概況工程算例為深圳地鐵一期工程百貨廣場(chǎng)樁基托換工程。深圳百貨廣場(chǎng)為塔樓22層，裙樓9層的框架－剪力墻結(jié)構(gòu)。因地鐵一期穿越裙樓下6根樁基礎(chǔ)(3－A軸、3－B軸、2－B軸、2－C軸、1－C軸、1－D軸)，需要進(jìn)行樁梁式主動(dòng)托換。托換轉(zhuǎn)換層設(shè)在地下室負(fù)三層，被托換框架柱截面為1．2m×0．8m、柱距為8．0m，框架梁截面為0．7m×0．3m;托

4、換梁截面尺寸為3．2m(寬度)×2．2m(高度)、跨度為11～14m;被托換樁基長(zhǎng)度為13～20m、直徑為2m。托換樁為直徑2m使命：加速中國(guó)職業(yè)化進(jìn)程專業(yè)知識(shí)分享版的人工挖孔樁，樁長(zhǎng)為28m。托換樁(1軸A～E軸樁編號(hào)為Z1～Z5)和托換梁平面圖(如圖2所示)，其中有限元分析的示范樁為1－D軸位置的Z4樁(兩側(cè)托換樁編號(hào)為T1和T2)［14］。1．2模型建立采用ANSYS有限元程序進(jìn)行分析，托換結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)以及上部框架梁、柱均采用Beam188單元，樓板采用Shell63單元。為了準(zhǔn)確反映托換過程對(duì)建筑物的影響，對(duì)1、2軸的A至E軸上部結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)

5、和托換結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模。樁基礎(chǔ)為端承樁，地基土對(duì)托換的沉降影響很小，因此，不再對(duì)地基土建模。被動(dòng)托換施工過程分為托換前、托換后(施工托換樁和托換梁)和原樁基礎(chǔ)截除3個(gè)工況，而主動(dòng)托換在分別施工完托換樁和托換梁后，需要在樁頂對(duì)托換梁頂升。為準(zhǔn)確模擬各工況作用下被托換結(jié)構(gòu)變形和荷載傳遞情況，運(yùn)用了ANSYS程序中的“單元生死”技術(shù)。將原結(jié)構(gòu)、托換樁和托換梁以及需要截除的原樁基礎(chǔ)均進(jìn)行整體建模。托換前工況下，將托換結(jié)構(gòu)單元“殺死”;托換后工況下再“激活”托換結(jié)構(gòu)單元;原樁基礎(chǔ)截除工況下，“殺死”被截除的樁基礎(chǔ)單元。1．3加載被托換建筑的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3．5

6、kN/m2。因?yàn)橥袚Q施工與建筑使用年限相比時(shí)間較短，活荷載乘以0．6使命：加速中國(guó)職業(yè)化進(jìn)程專業(yè)知識(shí)分享版的頻遇系數(shù)。將統(tǒng)計(jì)的恒荷載和活荷載疊加后，轉(zhuǎn)換為集中荷載施加在各層的節(jié)點(diǎn)上。將原樁基礎(chǔ)最下端的節(jié)點(diǎn)位移均定義為“0”。通過調(diào)整2根托換樁最下端的豎向位移實(shí)現(xiàn)加載。對(duì)于被動(dòng)式托換，托換樁底的豎向位移應(yīng)與托換前被托換樁的豎向位移相一致;而主動(dòng)托換的千斤頂是安放在托換樁頂和托換梁之間的，由于托換樁和托換梁整體建模，不易模擬在托換樁頂和托換梁之間加載，因此改為在托換樁底施加向上位移，位移值需通過試算的方法確定。這種處理方法不影響托換樁的軸力，但真實(shí)的位移

7、值需減除施加的位移值。為實(shí)現(xiàn)托換前后，被托換柱壓力不變的目標(biāo)，試算得出被托換樁基礎(chǔ)軸力為“0”時(shí)的位移值作為頂升的位移值。2分析結(jié)果2．1托換前托換前工況豎向位移和軸力的云圖(如圖3、4所示)。選中不同軸線位置單元查看位移和軸力值(見表1)使命：加速中國(guó)職業(yè)化進(jìn)程專業(yè)知識(shí)分享版2．2被動(dòng)托換采用被動(dòng)托換方案時(shí)，托換前和托換后托換體系的豎向位移和軸力未出現(xiàn)顯著變化，而截樁后托換梁跨中出現(xiàn)明顯下?lián)?如圖5所示)，而被截?cái)鄻兜妮S力也轉(zhuǎn)移到托換樁上(如圖6所示)。使命：加速中國(guó)職業(yè)化進(jìn)程專業(yè)知識(shí)分享版使命：加速中國(guó)職業(yè)化進(jìn)程專業(yè)知識(shí)分享版1軸各樁頂和托換樁頂

8、截樁前后豎向位移和軸力值見表1。截樁前后被托換框架柱(Z4軸)各層軸力變化情況(見表3)。從表1、3看以看出