基于冗余度的基坑工程安全性分析

基于冗余度的基坑工程安全性分析

基地水平支撑系统的冗余度是指由于施工期间的意外因素造成的个别支撑结构的坍塌，支撑系统的抗连续性能力是失败的。当水平支撑系统的冗余度不足,个别杆件失效后没有足够的传递路径来保证荷载的传递,会导致整个支撑系统的倒塌,从而导致整个基坑的崩溃。因此,在基坑工程中,应当保证水平支撑系统具备足够的冗余度,从而提高整个基坑的安全稳定性。本文拟采用拆除杆件法来模拟基坑水平支撑系统中某内支撑杆件的偶然失效,计算得出受损后水平支撑系统的极限承载力;由此便可根据Frangopol所提出的冗余度计算公式得出此构件破坏时水平支撑系统的冗余度。1混凝土配筋设计为了分析基坑水平支撑系统的冗余度,建立了如图1所示的计算模型。其中,围檩长度为60m,周边均布荷载为400kN/m;采用的混凝土等级为C30。由于所建立的模型为平面二维模型,在平面内辐射撑和角撑由轴力控制,可按受压构件来进行配筋计算,而围檩则由弯矩控制,按受弯构件来进行配筋;最终选定的内支撑构件截面尺寸如表1所示。2围受弯矩值在本文的分析中,围檩的极限弯矩采用均布荷载400kN/m时围檩所受到的最大弯矩值,辐射撑和角撑则按受压构件计算出极限轴力值,具体数值见表2。在后述的计算分析中,以此作为内支撑构件的破坏标准。2.1局部损伤结构的承载力如果结构的某个构件由于外部偶然荷载的作用而突然消失,理想的结构应该仍然能够继续承担荷载,而不至于连续倒塌。但结构在杆件去除后的极限承载力会有所降低,据此Frangopol提出了“强度冗余度数SRF(strengthredundancyfactor)”,定义为:SRF=VuVuVrSRF=VuVuVr式中,Vu为完好结构体系的承载力;Vr为损失结构体系的承载力。对图1所示的水平支撑系统杆件进行编号,考虑到对称性,该水平支撑可能发生的杆件失效情况有9种,如图2所示。以表2中的数据作为各内支撑杆件的失效标准值,可以得出各内支撑杆件失效情况下水平支撑体系的极限承载力,即局部损伤结构所能承受的最大周边均布荷载值。由此便可根据Frangopol所提出的冗余度计算公式得出此构件破坏时水平支撑系统的承载力冗余度参数。局部损伤结构极限承载力(单位kN/m)及承载力冗余度参数结果见表3。根据Frangopol公式可知,由此计算的冗余度最小为1,某杆件的冗余度越大,说明此杆件的失效对于整个支护体系承载力的影响越小,在某一个支护体系中,冗余度最小的杆件其重要程度最高,在进行基坑支护的设计时,应加强对此杆件的设计,由此来提高整个支护体系的承载能力,例如上述分析的水平支撑系统中的1号杆。设置角撑能够有效的增强基坑水平支撑系统的抗连续倒塌能力;在本节的分析模型中,角撑对应的构件编号为1～6,根据表3可以看到,这6根构件的冗余度参数明显较小。若安全系数取为2,即使用荷载为极限荷载的1/2,则根据Frangopol公式可知承载力冗余度参数小于2的内支撑构件发生失效时,会引起水平支撑体系的崩溃,从而引起基坑的连续性倒塌;由表3可见,1号角撑构件的冗余度参数小于2,它的破坏必定会引起水平支撑体系的整体崩溃,而4、6号角撑构件的冗余度参数略大于2,它的失效也有很大几率引起基坑的连续性倒塌。相对而言,辐射撑的承载力冗余度参数均处于较高水平,它们的破坏对整个水平支撑系统的承载力影响较小。由上述分析可见,设置角撑不仅能够有效的增强基坑水平支撑系统的承载力冗余度参数,而且角撑在水平支撑系统中的重要性也明显高于其余位置的内支撑,例如辐射撑;因此,在进行基坑水平支护设计时,应当考虑加强角撑来提高水平支护的承载能力,从而提高整个水平支撑系统抗连续倒塌性,而对整个水平支撑系统的承载力影响较小的辐射撑则按常规设计即可。2.2局部失效与刚度涣散度分析在基坑工程中,不仅要考虑水平支撑的承载力,还要考虑水平支撑的变形。在水平支撑系统中,个别内支撑构件的失效对整个水平支撑系统的刚度影响可以通过该构件失效时结构体系的最大变形的变化程度来体现,局部损伤结构相对于原结构的最大变形增大幅度很大,那么该失效构件对整个支撑系统的刚度影响较大,反之则较小。因此,对基于Frangopol提出的“强度冗余度数SRF(strengthredundancyfactor)”计算公式进行变形,得出刚度冗余度的计算公式如下:SRFS=SuSr−SuSRFS=SuSr-Su式中,Su为原始结构的最大变形值,Sr为构件失效后的结构的最大变形值。在本节分析中,水平支撑形式及局部构件失效情况与2.1节相同,具体见图2。选定安全系数为2,即在水平支撑系统周边加上200kN/m的均布荷载,此时原结构体系与各构件失效结构的最大位移如图3所示。从图3中可以看到,原结构体系的变形值为7.9mm,而对应为角撑的1～6号杆失效时局部损伤体系的变形值均要远远大于原结构体系的变形,最大变形值为41.4mm,对应为1号角支撑,辐射撑的7、8、9号构件失效时结构体系的变形则只稍大于原结构体系。由刚度冗余度的计算公式可知,刚度冗余度参数的最小值为0,最大值为无穷大。基坑水平支护体系的抗变形能力由其刚度来决定,因此,在水平支撑系统中,某内支撑构件失效后对水平支撑体系的整体刚度影响越小,刚度冗余度参数越大,反之则对水平支撑体系整体刚度的影响越大,刚度冗余度参数越小。根据原结构体系与各构件失效结构的最大位移,利用刚度冗余度计算公式可以计算出水平支撑系统的刚度冗余度参数,具体数值见表4。根据表4可以看到,对应为角撑的1～6号杆的刚度冗余度参数均处于较低水平,而辐射撑的7、8、9号构件则明显较大;根据刚度冗余度的计算公式可知,角撑构件失效后会明显降低整个水平支撑系统的刚度,使得局部损伤结构体系的位移相对于原结构大幅增加,导致整个基坑的破坏坍塌;而辐射撑构件失效则不会使得水平支撑体系的整体刚度明显降低,局部损伤结构体系的位移也不会产生很大的变化。因此,在进行基坑支护设计时,与承载力冗余度类似,应对刚度冗余度参数较小的支撑杆件进行刚度加强,以提高水平支撑系统的整体刚度,从而提高基坑水平支护体系的抗变形能力,例如上述分析的水平支撑系统中的1、5号支撑杆。通过上述研究对比可以发现,在整个水平支撑系统中,无论是在承载力还是整体刚度方面,角撑均处于较重要的地位,在进行基坑支护设计时应当重点考虑,基坑施工时也应重点监测,防止其失效而引起基坑事故,而辐射撑则按常规设计即可。3内引内培,外支撑通过分析结果可以看出,基坑水平支撑系统中的不同构件对于整个结构体系的承载力以及刚度的重要性程度