超高层建筑施工中深基坑支护承压结构抗震效果分析_向苗.pdf

建筑施工第45卷第1期209超高层建筑施工中深基坑支护承压结构抗震效果分析向 苗 徐 亮 王大庆湖北工建集团第三建筑工程有限公司 湖北 武汉 430076摘要：为分析超高层建筑施工中深基坑支护承压结构在地震作用下的局部抗震效果，应用有限元软件对某超高层深基坑工程进行了分析，建立了超高层施工中深基坑支护承压结构的有限元计算模型，并利用地震模拟振动台，输入0.4g、0.5g和0.6g的地震时地表运动加速度，对比不同深基坑施工阶段和插入比地下连续墙深基坑支护承压结构的抗震效果，并探究不同的地震烈度变形效应对深基坑支护承压结构位移的影响，采用振型分解反应谱方法，得到了超高层建筑深基坑支护承压结构的抗震稳定效果。试验结果显示，在超高层住宅建筑深基坑支护中，深基坑开挖深度和地震烈度是影响其抗震稳定的重要因素，而插入比则是与深基坑支护结构的地震稳定程度成正比关系，并可有效提高其抗震效果。关键词：超高层建筑施工；深基坑；支护承压结构；抗震效果中图分类号：TU753 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0209-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.01.053Analysis of Anti-seismic Effect of Deep Foundation Pit Support Bearing Structure in Super High-rise Building ConstructionXIANG Miao XU Liang WANG DaqingHubei Construction Group No.3 Construction Engineering Co.,Ltd.,Wuhan 430076,Hubei,ChinaAbstract:In order to analyze the local anti-seismic effect of deep foundation pit supporting and bearing structure under earthquake action in super high-rise building construction,a super high-rise deep foundation pit project is analyzed by using finite element software,and the finite element calculation model of deep foundation pit supporting and bearing structure in super high-rise building construction is established.The ground motion accelerations of 0.4g,0.5g and 0.6g are input by using the earthquake simulation shaking table.Compare the seismic effect of the bearing structure of the deep foundation pit support of the diaphragm wall with different construction stages and insertion ratios of the deep foundation pit,and explore the influence of the deformation effect of different seismic intensity on the displacement of the bearing structure of the deep foundation pit support.Using the vibration mode decomposition response spectrum method,the seismic stability effect of the bearing structure of the deep foundation pit support of super high-rise buildings is obtained.The test results show that in the deep foundation pit support of super high-rise residential buildings,the excavation depth and seismic intensity of the deep foundation pit are important factors affecting its seismic stability,and the insertion ratio is proportional to the seismic stability of the deep foundation pit support structure,and can effectively improve its seismic effectiveness.Keywords:super high-rise building construction;deep foundation pit;support bearing structure;anti-seismic effect生破坏，造成基坑坍塌，严重时甚至危及工人生命2。因此，根据上述内容的阐释，本文对超高层建筑施工中的深基坑支护结构进行了局部抗震性测试和分析，并对其抗震效果进行了分析。1 工程概况本次试验研究目标为湖北省武汉市永清商务区某超高层房屋建筑深基坑工程（图1），项目地址位于汉口永清街，基坑面积约为28 870 m2，周长约为680 m，地下室层数为2层。基坑支护形式为两墙合一地下连续墙2道钢筋混凝土内支撑，支撑系统采用对撑加角撑和边桁架的支撑体系。围护结构采用8001 000 mm地下连续墙，142副，墙深约21 m。由于现场周围已建建筑物与基坑之间的距离比较远，因此，试验结果的分析更为精确。应用Midas GTS有限元软件对高层住宅建筑的深基坑超高层建筑不仅可以体现出一个城市经济建设的发展水平，同时也反映出一个城市科技和经济的发展程度，还可以充分利用有限的土地来实现城市更大空间的发展1。随着国民经济的发展，人们的生活水平不断提高，对建筑的外观和功能的需求也越来越高。目前，我国超高层建筑大多处于全面发展阶段，为城市居民提供了良好的居住和工作环境。在地震多发区，深基坑建设极有可能遇到地震，而钢板桩、桩排支护以及深层搅拌桩等支护结构在施工、维护期间，其抗震效果较差，一旦发生地震，很有可能发作者简介：向 苗（1987），男，本科，工程师。通信地址：湖北省武汉市洪山区花城大道花城汇2号楼17层（430076）。电子邮箱：收稿日期：2022-09-29科学研究SCIENTIFIC RESEARCH20231Building Construction210支护结构进行了地震响应分析，并在深基坑工程中设置了土体、混凝土和地下连续墙支撑的三维有限元模型的单元类别：六面体类别、一维等参梁单元类别以及二维等参板单元类别。图1 项目基坑施工过程2 工程难点深基坑开挖的施工管理是高层以及超高层建筑中的一个关键环节，它直接关系到整个工程的实施质量3。在现阶段深基坑支护工程施工过程中主要存在以下难点：一是基坑开挖方式使工程实施整体形态呈现出多样化、错综复杂的特点，从而影响了施工的顺利进行；二是超高层建筑深基坑支护的建设规模大、工期长、整体造价高的临时性工程，所需施工条件以及技术较为复杂，对施工过程提出了更高的要求；三是深基坑工程施工条件多变，施工环境复杂，在建设深基坑的实际应用中，工作人员要随时关注并且实时提高工程施工的稳定性和可靠性，有效减少不良事态产生的可能性，并有效地减小地基变形对施工的影响。同时，采取截流措施，阻止深基坑内大量蓄水，使基坑工程保持在地下水位以上，为后续工作的顺利进行奠定基础。3 试验方法3.1 有限元计算模型分析对本工程案例分析，进行了一次深基坑工程的试验研究。本项目施工场地与已建成的房屋相隔很远，不会受其他因素的影响，可以方便现场的实际分析。该测试采用了 Midas GTS有限元软件，该软件具有良好的通用性，便于实际测试。并运用Mohr-Coulomb的模式分析方法，建立了与该模型相关的结构模型，并对其进行了地震响应分析4。表1中说明了该超高层建筑的土层参数。通过对土层的初步研究，确定了土层的基本特性。由于该项目的地下水位比较低，不会影响到测试的结果，因此不必考虑；在试验参数的设计中，将地震强度设为8度，并在这一条件下所计算出的地表运动速度为0.18g，深基坑内部深为10 m，地下连续墙的入土深度为10.521.5 m。在此基础上，将模型周围的边界条件设定为静力阻尼边界，与施工相关的地质条件包括：风化泥岩、黏性土、砂砾等，具体见表2。表1 超高层房屋建筑土层参数层数土层重度/（kNm3）厚度/m 黏聚力/kPa 内摩擦角/（）1杂填土19.51.610152中砂16.75.10273圆砾19.74.70304砾砂20.211.3035表2 基坑土层物理力学性质标准参数名称重度/（kNm3）厚度/m黏聚力/kPa 内摩擦角/（）黏性土18.71.803515砂卵石23.01.50335强风化泥岩22.50.7028426中风化泥岩24.00.19582283.2 振动台模型试验本次试验选用某公司研制的R-9000 ZD型振动试验机，其主要性能指标是：长49.6 cm、宽29.7 cm，横向最大振动荷载值为27 kg，垂直最大振动荷载值为2.3 kg。在试验过程中，根据所使用的振动台机械设备的基本参数建立了试验分析的基础模型。在试验模型的设计中，参数设计为：长254 mm、宽214 mm、高214 mm，外框采用12 mm厚的木工板；在室内结构方面，通过与现场地质数据相结合，使土层和土性的设计与设计图纸相符合，可以提高测试的可信度；在承压结构的设计中，设计了厚度为0.55 mm、长度为210 mm、宽度为180 mm，深度各自分别设定为130、150、170、180 mm，可对不同深度下的地震反应进行分析；在此基础上，采用模型模拟了地下连续墙所受的影响，采用了以4.5 mm为中心、145 mm为内支承结构作为计算模型；为避免因刚度过大而造成的变形不能采集到资料，对模型进行了精细的优化，保证了模型的刚度在可计算范围之内，同时还对钢筋等进行了强化。3.3 地震波输入在本次效果分析试验中，利用El-Centro地震波的峰值加速度值，分别为0.4g、0.5g和0.6g，利用振动台上的仪器，对其进行了仿真，在仿真环境中，可以计算出结构的抗震效果，如果所有的参数都是真实的，那么仿真的精度就会大大提高。El-Centro地震波的时程以及加速度如图2所示。1.51.00.500.51.01.5加速度/g0510152025时程/s图2 地震波的时程以及加速度向苗、徐亮、王大庆:超高层建筑施工中深基坑支护承压结构抗震效果分析建筑施工第45卷第1期2113.4 抗震性计算方式在本次效果分析试验中，采用了基于反应谱法的地震响应特性的计算方法，它可以在一个单一质点系统中，在地震作用持续增加的情况下，得到了一条具有连续性的抗震特性曲线，这种曲线反映了一种更真实的质点响应情况，它可以反映出不同情况下的抗震特性，其具体公式变式如式（1）所示：20.21(T5Tg)max （1）式中：地震因子；max地震的最大值；Tg地震的周期特性；T深基坑支护结构的自振周期；1线形的倾斜常量；2阻尼常量；衰减常量。采用振型分解反应谱法，计算了深基坑支护结构的抗震效果，并在此基础上采用了振型分解原理和单自由度体系的反应谱，对各级别的地震进行了分析。i质点、j振型水平地震作用的标准值可由式（2）来 计算。FijjjjiGi,(i,j1,2,n)（2）式中：Fiji质点、j振型的横向力；j在质点为i时，应选择的地震效应常量；Gi重力负载的代表i质点；jii质点、j振型的横向位移；jj振型的参与常数。对于超高层住宅建筑的深基坑支护结构而言，在不考虑其他外部因素的情况下，应用式（2）可以得到非常满意的分析效果。F(t)MCK （3）式中：F(t)振动响应分析结果，t为参与常数；M质点质量矩阵；C减振矩阵；K刚度矩阵。在动态有限元法中，建立质量矩阵的主要步骤是先将所有的质量进行汇总，并将它们放在一个节点上，组成一个对角化的质量矩阵；再利用能量原理，计算出各单元的质量参与因子，并建立相应的质量矩阵。超高层建筑深基坑支护结构在地震中会产生一定的耗能，通常把这种耗能称为阻尼5。因此，基于以上分析，在超高层建筑施工中，一般采用瑞利阻尼法进行深基坑支护承压结构的设计6。在振型阻尼比的基础上，获取单自由度振动系统的地震方程式，并获得了相应的位移，对超高层建筑的深基坑支护进行了局部地震响应试验。4 试验结果与分析4.1 深基坑支护承压结构在不同施工阶段的地震响应分析在不同的施工阶段，不同地震产生的影响对支护结构的影响各有差异，因此要精确地把握这一差别，才能更好地进行抗震效果的计算。为进一步了解深基坑支护承压结构的抗震效果，在2个不同的施工阶段进行了对比研究，各自开挖至5、10 m的施工阶段。在超高层建筑物的地底结构中，由于地下连续墙具有很好的止水性和高强度的墙体刚度，而本次试验的地下承压结构是以地下连续墙为主，因此在试验设计中，采用地下连续墙作为主要的分析对象法，建立了地下连续墙的地基模型，并用不同的加速度数值进行了仿真，输入了0.4g、0.5g、0.6g的地震加速度，并进行了对比分析。在试验中，由于不同的加速度参数，地下连续墙的位移差异较大。当地面移动加速度增大，加速度为0.4g时，在5 m深的施工阶段，则为100 mm的水平位移；当加速度为0.5g，在5 m开挖深度时，地下连续墙的横向位移为161 mm；在0.6g的加速度下，在5 m深的施工阶段，地下连续墙的横向位移为208.2 mm。在深基坑开挖至10 m时，最大水平位移为149.7、276.2、392.4 mm。最终试验表明，在同样的地震作用下，当深基坑开挖至10 m时，开挖深度要大于5 m开挖深度时的地下连续墙横向位移，即在同样的地震加速度作用下，深基坑的水平位移将会随着开挖深度的增加而不断增加，从而更容易地使深基坑的支护和承压结构发生破坏，从而对高层建筑的整体质量和安全性产生影响（图3）。012345678910地下连续墙标高/m012345678910地下连续墙标高/m位移/mm（a）开挖至5 m（b）开挖至10 m位移/mm加速度0.4 加速度0.5加速度0.6加速度0.4 加速度0.5加速度0.6100200300400500100200300400500gggggg图3 不同地震时地面运动加速度的地下连续墙侧向位移4.2 深基坑支护承压结构在不同插入比下的抗震稳定分析在不同的插入比条件下，深基坑支护承压结构的抗震效果也有所差异，因此，必须对其插入比进行计算，用/。其中，代表插入比，代表地下连续墙基坑底部的深度，代表开挖深度。在本试验中，采用不同插入深度的模型来检验地下连续墙在不同插入深度时的抗震效果。在试验设计中，采用向苗、徐亮、王大庆:超高层建筑施工中深基坑支护承压结构抗震效果分析20231Building Construction212了130、150、170、180 mm的插入深度参数。为了检验不同速度下不同深度的不同插入深度的地下连续墙结构，利用振动台装置进行了不同的地面加速度测试；加速度参数分别为0.4g、0.5g、0.6g；选取了距坑底部0、5、10 mm处的加速度值，通过对不同间距的试验数据进行分析，得出了不同插入比下承压结构的抗震效果。通过与此相关的试验研究，可以发现，在地下连续墙体中的插入率越高，其稳定性越好，抗震效果越强；同时，根据不同情况下的试验资料，可以发现，随着埋入比的增大，深基坑支护的受力稳定性会得到有效改善（图4）。因此，在高层建筑设计中，尤其是在地震频繁的地区，可以采用将其插入到土层中的方法来改善其抗震效果。1.81.61.41.2插入比0.2插入比0.4插入比0.6插入比0.8插入比0.2插入比0.4插入比0.6插入比0.8加速度放大系数1.81.61.41.2加速度放大系数距离/m（a）加速度0.4g0510距离/m（c）加速度0.6g05101.81.61.41.2插入比0.2插入比0.4插入比0.6插入比0.8加速度放大系数距离/m（b）加速度0.5g0510图4 不同插入比在不同地震时地面运动加速度作用下加速度放大系数4.3 深基坑支护承压结构在不同地震烈度下的变形效应分析由于超高层建筑的开挖深度较大，其抗变形能力也随之下降，因此必须重视其非线性关系对其抗震效果的影响。为检验不同地震烈度条件下承压结构的抗震效果，本文将最大水平地震影响因子设为0.05g；当地震设防强度为7度时，对地震的最大影响系数为0.10g。通过分析不同烈度对支护结构的变形效应，发现当地震烈度的影响因子为0.05g时，最大时程位于原点；在10 s内，最大位移为0.04 mm；当时间超过10 s，位移值逐渐降低；超出35 s之后，位移基本为0。由此可以看出，超高层建筑的地基变形基本上是弹性变形。从试验结果中可以看到，在0.10g的情况下，承压结构在10 s以前没有明显的位移；但在10 s以后，基坑支护结构的位移会逐步增大，这意味着10 s以后，深基坑将会发生很大的非可塑性变形（图5）。因此可以肯定，随着地震烈度的不断提高，承压结构的抗震效果将会逐步下降，地震烈度将直接影响到深基坑的抗震效果。0.120.080.040位移/m10203040地震烈度的影响因子为0.05g地震烈度的影响因子为0.10g50时间/s图5 不同地震烈度对深基坑支护承压结构位移的影响对比5 结语本文以超高层建筑为主要探究对象，建立了深基坑支护承压结构的有限元计算模型，并采用地震模拟振动台对其进行了分析，测试效果如下：在超高层建筑中，深基坑的开挖深度与支护承压结构的抗震稳定性之间呈现反比关系，而支护结构在施工过程中易受到破坏，从而会严重影响超高层房屋建筑的施工安全。在超高层房屋建筑中，插入比与深基坑支护承压结构相比，增加插入率可以有效改善其抗震效果。在超高层建筑中，地震烈度与深基坑支护结构的抗震稳定性呈现反比关系，而当最高水平地震作用系数选择0.10g时，超高层建筑深基坑的地基土会产生一定的塑性变形。综上，虽然本文对超高层建筑施工中深基坑支护承压结构抗震效果进行了较为全面的分析，但在此基础上还有大量的后续工作要做，基于本文的研究，提出了如下的后续工作：1）深入研究和探讨在复杂监测条件和恶劣环境下的深基坑施工技术，以保证基坑地震监测的准确性。2）进一步改进预测和预报体系，以便基坑监测更快速地指导施工。1 赵邵华,苏永华.强震后高层建筑结构变形监测精度提高的研究J.地震工程学报,2020,42(1):230-235.2 张麒麟.高层房屋建筑深基坑支护承压结构局部抗震性试验分析 J.大众标准化,2022(14):124-125.3 王妙灵,王浩.高层房屋建筑深基坑支护承压结构局部抗震性试验 分析J.地震工程学报,2022,44(2):299-305.4 李正农,林强.非同步采样的高层建筑模态识别J.自然灾害学报,2019,28(5):48-58.5 刘文光,余欣欣,许浩,等.设置阻尼负刚度系统的高层隔震结构地 震响应分析J.建筑结构学报,2020,41(7):36-44.6 周云,卢德辉,龚晨,等.昆明某高层建筑消能减震设计J.建筑结构,2019,49(7):116-121.向苗、徐亮、王大庆:超高层建筑施工中深基坑支护承压结构抗震效果分析