NFX|预制挡墙结构拓扑优化

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摘要：

为简化施工工序、节省劳动力、提高工程质量，基于拓扑优化理论，设计了预制装配化舱格式挡墙的结构形式，运用有限元仿真分析软件，优化了连接细节。最后结合具体工程应用，分析了预制装配化舱格式挡墙在经济性、环保等方面存在的优势，可为其推广应用提供参考。

关键词：预制装配化；挡墙；舱格式；结构设计

中图分类号：TU528.79

文献标识码：A

前言

近年来，随着国家大力发展装配式建筑，绿色施工要求不断深化，传统现浇混凝土挡墙由于存在建造工期长、施工过程环境影响广、劳动力需求大等缺点，已不能很好适应发展需要。预制装配化挡墙因其具有能源消耗低、建造速度快、环境污染少、质量有保证等特点，开始被应用于公路扩建和修复工程中，国内外已提出一些预制装配化挡土墙结构，例如扶壁式装配挡土墙、格宾网箱挡土墙、日本的箱形挡土墙、绿色预制挡土墙、预制块材Golcon体系、MSE挡土墙、GRS-RW系列挡土墙及SRW挡土墙体系等。但大部分预制装配化挡墙的安装成本较高、推广难度较大。经济性好、便于施工的挡墙为预制装配化挡墙发展的方向。本文通过结构优化和改良，研发新型预制装配化舱格式挡墙（以下简称预制挡墙），在保证挡墙承载能力的同时，利用废物回填实现环保节材，以期达到环保和经济效益的最大化。

1 预制挡墙结构拓扑优化

考虑到重力式挡墙设计方法明确，通过大量的计算分析及相应的数据统计可知，墙体倾覆与墙体滑移为重力式挡土墙最主要的两种破坏模式，而墙体结构本身的抗剪能力却有较大的安全系数。基于以上考量，采用midas NFX 软件，依据密度惩罚法中的SIMP材料插值模型对重力式挡墙进行拓扑优化分析，以得到初始设计域（即迎土侧与背土侧面板间的实体部分）的结构最优分布形式。

优化过程简化如下：

（1）考虑到预制挡墙必须分节段运输，优化过程不考虑节段间的连接强度及空间效应，预制挡墙长度取2m

（2）为确保稳定性，预制挡墙结构与基底接触面积及挡墙结构重力保持不变

（3）模型简化为底部有固端约束的重力墙长方体形式

图1为挡墙拓扑分析图。由图可知，重力式挡土墙可拆分为主要受力部分和配重部分，主要受力部分即为前后两板间优化后剩余实体，而配重部分则为两板间剩余实体外空腔部分。

通过以上拓扑优化分析，主要得到以下设计研发要点：

（1）结构横向尺寸。针对不同的基底条件，结合基底摩擦系数，保证基底抗滑移面积

（2）结构整体质量。进行质量控制，通过填充废弃料来满足挡墙质量要求。同时，实现就地取材，满足绿色环保要求

（3）结构强度（受力部分）。提高结构受力部分材料强度，以保证结构强度和空仓填充效果，从而为空仓快速回填施工和废弃料利用创造条件

（4）预制挡墙结构优化为舱格式挡墙，通过优化材料分布形式，可有效减少结构材料用量(梁面板间材料减少了86%)

2 预制挡墙结构设计

2.1 整体结构设计

工业化生产及运输要求结构造型不能过于复杂。因此，预制挡墙迎土侧和背土侧两个翼板之间受力结构形状设计优化为平面板，称之为腹板。同时，为保证薄壁构件承载力，预制挡墙混凝土强度等级取C40。公路用挡墙结构需同时考虑稳定性及抗不均匀沉降性。

为便于空仓回填施工，不对空仓回填部分提出压实度等要求。预制挡墙顶部需加盖板，一方面可为路基提供稳定支撑。另一方面，装配形成的挡墙通过顶部盖板的强连接形成整体，可提高挡墙整体稳定性。预制挡墙结构如图2 所示

为确保预制挡墙稳定性，充分保证基底土与结构之间的抗滑移作用，采用现浇素混凝土坡度基础，如图3所示

2.2 预制挡墙基础及顶部连接细节设计

2.2.1 预制挡墙基础连接

预制挡墙为钢筋混凝土构件，考虑施工便利，基础采用现浇素混凝土（无需现场绑扎钢筋）。基础与预制挡墙的连接处易出现应力集中，为避免出现此现象，考虑以下几种解决方案

（1）预制挡墙与现浇混凝土基础直接连接

方法1：增大素混凝土基础的厚度。由数值仿真分析可知，其应力减小作用相对不明显，具体为基础每增高0.1m，应力降幅约3.3%，其经济性较差。

方法2：在素混凝土基础拉应力集中处增设钢筋网片，其规格为22，网格间距为5cm×5cm，有效范围为60cm×30 cm（长×高）。经数值仿真分析，拉应力值降幅为20%。其中，竖向钢筋对缓解应力集中起到了决定性作用，但施工相对复杂。

方法3：设置脚趾。经数值仿真分析，拉应力降幅为76%，应力减小作用明显，可满足基础抗拉要求。具有较高的经济性，但外伸的脚趾不利于预制挡墙生产、运输及安装保护。

（2）预制挡墙与现浇混凝土基础锚固连接

通过预制挡墙预留钢筋锚固段可有效改善基础受力，避免素混凝土基础顶面的拉应力集中，但预制挡墙底部全部预留钢筋锚固段，施工安装期预制挡墙无法自稳，需要额外的支撑。结合项目特点综合考虑，采用预制挡墙底部部分预留钢筋锚固的方式，既可保证工程安全稳定，又可兼顾施工便利性。通过同等深度施工图设计对比分析可知，此种方案钢筋在上述方法中综合经济性最优，预制挡墙生产、运输也较便利。

综上所述，预制挡墙与基础的连接一般情况下推荐采用预制挡墙底部部分预留钢筋锚固的方式。

2.2.2 预制挡墙顶部连接

预制挡墙与顶部的连接设计需考虑劣质填芯沉降和脱空对路基沉降变形的影响。同时，为保证预制挡墙整体配重，需确保上部护栏等交通安全设施的基础稳定和运营安全。预制挡墙顶部采用强连接方式，预制构件顶部预留钢筋接头与现浇封顶钢筋混凝土盖板采用固结连接。此种方式可有效提升舱格式挡墙结构的整体性。

2.2.3 预制挡墙竖向连接

采用以上方案进行预制挡墙与基础、顶部的连接，经数值仿真分析，各预制挡墙纵向拼缝无需设置其他机械连接，仅需采用自黏型防水卷材进行防渗漏处理。

2.3 预制挡墙施工工序

（1）就近设置预制厂，完成预制挡墙的生产

（2）施工基底现浇C30素混凝土基础，兼做整平层，根据土体性质设置基底倾斜，以加强挡墙抗滑。预制挡墙以双T 字支撑自稳于整平层上，清洁底部锚固钢筋，校准结构位置

（3）二次现浇素混凝土基础，实现预制挡墙与基础的有效连接

（4）进行预制挡墙纵向接缝防渗漏处理

（5）进行舱格空仓废弃料回填

（6）保证空仓重量后，清洁及弯折预制挡墙顶部锚固钢筋，仓顶敷设防水板等作为现浇钢筋混凝土盖板底模，浇筑钢筋混凝土盖板，实现挡墙顶部的强连接

3 工程应用案例

3.1 工程概况

位于安徽境内的G328 寿县至霍邱一级公路改扩建工程K0+000-K5+000 段改扩建需采用单侧扩建的方式，且扩建道路位于干渠一侧，距离较近，现状原始地面较平坦，受防洪要求限制，路堤高度普遍在6~8 m。同时，路基填料极度匮乏，土方调配困难。综合各方面因素，研究采用预制挡墙进行扩建

工程断面如图4 所示

预制挡墙构造如图5所示

3.2 经济性分析

较相同建设条件下的传统重力式（衡重式）挡墙，预制挡墙的混凝土用量仅为传统重力式挡墙的44.8%。此外，预制挡墙每千米可较重力式挡墙减少约8000m³路基填料，并可利用14800m³工程弃方。经预算对比，经济性节约了21.6%。

3.3 社会效益分析

采用预制挡墙可有效加快工程施工进度，减少施工期环境污染。同时，该处场地条件适宜，可就近设置预制厂，利于工业化构件的生产及运输。预制工艺有利于提高建筑质量，减少后期维护成本，提升工程外观品质。

4 结论

（1）采用拓扑分析，进行了预制挡墙结构形式优化，使结构材料减少了86%，且承载能力满足要求，其理论模型合理。

（2）在考虑工程实际基础上，从结构稳定、施工便利性角度出发，对预制挡墙基础、顶部等细节进行了深入研究，并辅以数值仿真验证，设计了可靠的

预制挡墙结构形式。

（3）结合工程实际，进行了对比分析，得出预制挡墙在经济性和社会效益等方面具有一定的推广应用价值。

作者：李昊煜

源自：

来源：midas机械事业部

拓扑优化建筑 NFX 理论材料控制

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首次发布时间：2023-03-22