隧道开挖对框剪结构的静力影响分析.pdf

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1、DOI：10．3969／j．issn．1672—4011．2013．02．063隧道开挖对框剪结构的静力影响分析夏丹，祝英杰，曹广胜(青岛理工大学土木工程学院，山东青岛266033)摘要：用ANSYS有限元分析软件，建立高层钢筋混凝土框剪结构弹塑性有限元模型，进行多种工况下结构在隧道开挖影响作用下的内力分析，得到结构在发生地表变形时内力的变化与分布规律。分析结果表明：隧道开挖引起的地表倾斜对结构底层影响最大，对各层构件弯矩影响较大，但对结构轴力影响较小。关键词：隧道开挖；框剪结构；有限元；静力分析中图分类号：U452．2+7，文献标志码：B文章编号：1672—4

2、011(2013)02—0133—020前言随着我国社会的的快速发展，以隧道为主的城市地下工程发展日益迅速。然而，城市地铁隧道开挖引起地表倾斜，使基底反力重新分布，进而引起基础和上部结构内力的变化，产生较大的附加内力，建筑结构的自重应力场重新分布，导致建筑物从基础到上部结构产生不同程度的损伤(次生损伤)，轻则开裂，重则倒塌⋯。因此，研究地下隧道开挖引起地表倾斜对地面建筑物的损害机理，研发切实可行的防治和控制措施，可以有效保护地下隧道周围环境以及人民生命财产的安全，其科学价值、工程意义和社会效益均十分显著一1。1有限元模型的建立1．1工程概况选取青岛地铁3号线某区

3、间旁穿的一栋建筑物为对象，进行结构各种工况下的受力分析，该建筑物结构形式为框架剪力墙结构。本文选择的计算模型抗震设防烈度为8度(0．20g)，场地类别II类，钢筋混凝土框架剪力墙结构：l层层高5．0m，2层及以上层高3．6m，共15层，总高55．4m，现浇楼板。1．2荷载的施加方式(1)结构自重。在静力分析类型下对结构沿重力方向施加9．8m／s2的加速度。(2)地表变形对结构的影响。在本文中，研究地表倾斜对上部结构的影响，传统方法是将柱脚与基础的连接处作为固端或固定铰支座，并人为的给沉降部位柱脚施加支座位移，以此方法来模拟沉降的产生。1．3钢筋混凝土框剪结构有限

4、元模型本文采用杆、壳单元进行模拟。剪力墙、楼板采用ANSYS中的SHELLl81单元进行模拟，梁、柱采用BEAMl88单元进行模拟旧]。模拟梁柱以及剪力墙等构件在分析过程中出现的开裂、屈服及破坏的受力过程。结构有限元模型如图1所示。图1结构有限元模型模型图2隧道开挖对框剪结构的静力影响分析2．1本文对模型施加的沉降条件根据<建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)，本建筑整体倾斜允许值为0．003，现选取2mm／m、3mm／m、4mm／m四种沉降值为本文的研究工况，四种工况如下：工况S1：整体地基基础不产生沉降；工况s2：框剪结构整体2mm／m倾斜；工

5、况S3；框剪结构整体3mm／m倾斜；工况s4：框剪结构整体4mm／m倾斜。2．2荷载施加方式在ANSYS中对柱脚沉降采用传统的位移加载方式模拟柱脚沉降HJ，计算时均打开大变形控制，用以考虑因沉降产生的整体附加弯矩作用。框架的自重是以惯性力的方式施加的，z方向的惯性力加速度取9．8m／s2。2．3各工况下结构内力分析对结构分别施加工况s1、S2、s3、s4，得到结构弯矩图。如图2～5所示。图5S4作用下结构弯矩图作者简介：夏丹(1989一)，女，硕士研究生。研究方向：建筑结构。由图2可以看出，当结构只受重力(SI)影响下，结兰Q；羔墨：錾重墅!垒墨当盛垫丝塑堡主呈

6、；錾盔曼塑构各层弯矩分布较为均匀，各构件的弯矩远小于开裂弯矩，各构件处于弹性阶段。从图3～5中可以看出，当地表出现倾斜变形时，结构的附加弯矩逐步增大，其中结构底层柱的弯矩值增加最为明显，并且在与剪力墙相连处柱脚弯矩急剧增加。当结构层高达到3层及以上时，结构受到地表倾斜影响产生的附加弯矩非常小。由以上分析可知当地表发生倾斜变形时，结构底层所受影响最大，底层与剪力墙相连的柱最早开始出现开裂或破坏。结构长轴方向距离(m)叶’r‘‘1’i氐，n∥WlV—t图6各工况下结构底层A轴拄脚节点弯矩剪力墙的作用，随着倾斜程度的增加，z2、Z6、Z10、7．30、7_-36、Z1

7、2的柱脚轴力值增加幅度较大。n009+00金-5．00E+05长一1．00E+06莲-150E+06耋-2．00E+06垫堪一2．50E埘一3．ooE+06结构长轴方向距离(m)06121824303642鸫54+Sl--．IF-S2—啼_S3*,54图9各工况下结构底层B轴柱脚节点轴力——●—·--'l--3结论·—_P一(1)隧道开挖之前，上部建筑物结构仅受重力作用，圈7各工况下结构底层B轴柱脚节点弯矩提取各工况下结构底层柱脚弯矩，其数值沿A轴、B轴变化如图6～7所示。从图6—7可以看出，当地表发生倾斜变形时，结构底层与剪力墙相连处各柱脚(Z9、Z10、7_

8、35、7_36)弯矩急剧