预应力装配式鱼腹梁内支撑的刚度分析

2016-11-25刘发前卢永成

城市道桥与防洪 2016年2期

关键词：围护结构型钢装配式

刘发前，卢永成

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

预应力装配式鱼腹梁内支撑的刚度分析

刘发前，卢永成

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

预应力装配式鱼腹梁内支撑系统由于其“敞开式”的布置方式，施工作业面大，速度快。同时，由于该类支撑可循环利用，建筑垃圾少，具有很大发展潜力。然而，很多方面仍需进一步研究。结合南京绕城公路地道工程，对预应力装配式鱼腹梁内支撑的刚度进行专项分析，并给出合理建议值。以往经验表明，支撑每延米刚度可达40～50 MN/m，且没有施加预加力。研究表明，这仅在基坑宽度不大时尚可满足。当基坑跨度较大时，支撑刚度线性降低而承载力不变，为增加支撑刚度必须增加型钢数量，经济性很差。最后，提出设计中应采用考虑预应力影响的“表观刚度”，可更好地平衡考虑支撑刚度和强度。工程实践表明，并将之应用于南京绕城公路地道设计中，获得良好效果。

基坑；鱼腹梁；围护结构；刚度

0　引言

近年来，地下空间开发正如火如荼的发展，以综合交通枢纽为核心的配套高层建筑的地下室、地下停车场、地下广场等使得基坑深度越来越大；同时，随着人们对空气质量认识的逐步升级，地下交通将成为城市立体交通的主要趋势。如此，基坑工程的发展对城市的发展和治理都有很大的社会和经济意义。

经过数十年的发展，基坑工程设计已完全从“强度控制”向“位移控制”的方向转变，而影响基坑水平位移乃至安全性的主要因素是支撑系统的选型及其合理的计算方法。目前常用的内支撑有钢筋混凝土支撑和型钢支撑两种，其刚度计算在规范中已有明确规定，只是计算长度在不同规范中尚有一定差异。国家规范[1-2]和南京地区规范[3]认为支撑的计算长度按照其实际长度或立柱中心间距确定；广东地区规范[4]的要求基本与国家规范类似，并强调钢筋混凝土支撑的长细比不超过80，型钢支撑结构的长细比不超过150；上海规范[5]要求钢筋混凝土支撑在竖向平面内的计算长度取其全长（未设立柱）或立柱中心距，钢支撑应取上述长度的1.2倍，横向平面内宜参照竖向平面情况确定。据此，利用结构力学知识，即可计算钢筋混凝土支撑和钢支撑的刚度。当然，这是一种简化算法，但是其精度已足够满足工程设计的需要。因此，目前的建筑基坑、地铁车站基坑等均采用该类计算方法进行设计[6-10]，而对刚度验算很少做进一步的研究。因此，当支撑结构形式发生变化时，刚度的取值便成了设计师所面临的极大难题。

预应力装配式鱼腹梁内支撑系统是近年来发展的钢结构支撑系统，由型钢对撑、角撑和鱼腹梁构成。鱼腹梁采用张弦梁的力学模型，实现大刚度，限制坑外土体位移；鱼腹梁两端支承于型钢支撑，其围护段的水平位移为鱼腹梁的弯曲值与支点之和。钢支撑挡土结构的实际传力构件，因而需要具有高强度、大刚度的特点。该种支撑系统由标准的H型钢拼接而成，目的是实现快速安、拆，循环利用、降低造价。另外，由于主支撑之间间距较大，所夹鱼腹梁紧贴围护墙设置，很少占用基坑内空间，施工作业面大、施工便利、快速，完全符合绿色、环保、施工便利的社会理念。

1　绕城公路地道基坑工程概况

绕城公路地道位于南京南站北侧，全长790 m。地道下穿玉兰路段采用暗埋段结构型式，先于两侧敞开段施工，该段基坑长度为130 m，宽度80 m，围护平面见图1。

可见，整个暗埋段由两榀型钢对撑（含八字撑）构成，八字撑亦由型钢拼接而成。在两榀主对撑之间设有一道30 m跨鱼腹梁；主对撑与八字撑之间均设有一道17.5 m跨鱼腹梁。需要说明的是，鱼腹梁的底梁与对撑的围檩位移整体结构，支承于挡土结构上。鱼腹梁两端支于八字撑角点用于平衡坑外水土压力并通过自身的强大刚度控制该段水平位移。由此可见，整个基坑的水平位移仅受型钢支撑的刚度控制，这也是本文对钢支撑进行专项研究的意义。

图1　绕城公路地道暗埋段围护横断面

2　刚度取值的讨论

基坑内支撑设计中，刚度的选取是至关重要的。根据钢结构的刚度概念，在弹性阶段，其刚度(ST)可表示为式（1），且在弹性阶段保持不变：

对于基坑工程，基坑的变形两侧对称，因此基坑单侧变形是支撑长度变化值的一半，即支撑刚度可取为：

在本课题研究之前，该类支撑系统已应用于多项工程。而在实际施工中均不加预加力，所得支撑每延米刚度约为40～50 MN/m。下面就对南通十字街基坑进行分析，研究其支撑刚度的取值。选取本工程的原因是平面布置较为简单，具有代表性，见图2。

图2　十字街工程基坑围护平面图

对于基坑左段，支撑长约23 m，85 m跨度内有10根H350型钢，则相应每延米刚度为：

对中段，支撑长约20 m，80 m长度范围内有11根H350型钢，则相应每延米刚度为：

对其右段，支撑长约31 m，48 m范围内有8根H350型钢，则相应每延米刚度为：

钢支撑的特点在于可循环利用、高强度、高弹性（压缩量相对于基坑允许水平位移值）和可施加预应力，若不能有效利用钢支撑上述特点将是不明智的。本支撑系统的一个特点在于：在基坑开挖前施加了预加力而使得土体产生反向位移，待土体开挖后渐渐产生向坑内的位移，如此设计的目的是减小基坑水平位移从而达到保护周围环境的目的。如此以来，外部土压力将因为没有产生足够的位移而介于被动土压力与主动土压力之间。根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012），钢支撑预加力约为最大支撑力的0.5～0.8倍；根据本支撑系统的应用经验，预加力约为支撑范围主动土压力的0.6～0.8倍。在基坑开挖的过程中，土压力在没有达到预加力时不会产生向坑内的变形；随着开挖深度增加，坑外水土压力增大，使得支撑轴力开始增大进而产生压缩，引起基坑水平位移。最终的支撑轴力值取决于位移值，两者是相互关联的。

记开挖之初预加力为P1，在P1作用下钢支撑的将发生压缩变形为：

随着开挖的进行，在支撑轴力达到最大值（记为P2）时，基坑水平位移最大，为：

则支撑刚度（表观刚度）可表达为：

可见，在预加力条件下，钢支撑的实际刚度（表观刚度）是按照常规计算的P2/(P2-P1)倍。

换言之，如果支撑强度足够大，在施工全过程中可满足强度和稳定性条件，则支撑数量可相应减少配置，达到刚度和强度的最佳组合，从而节省材料。理论条件下，基坑外土体作用于围护结构上的力随着基坑位移的发生逐步由静止水土压力或其上某值（由于支撑预加反力造成）慢慢减少，在水平位移达0.2H～0.4%H（H为基坑深度）时达到主动土压力值[13]。取其下限，要求水平位移不大于0.15%H，则支撑上最大轴力可通过静止土压力与主动土压力之间插值为：

式中：P0、Pa为静止、主动水土压力合力，可通过地质参数和水文条件估算而得。结合式（5）、式（6），则可估算支撑在预加力条件下的刚度取值。

为简化起见，可将P2取为Pa。如此，若预加力为土压力的70%，则相应的支撑刚度为规范计算值的1.0/（1.0-0.7）=3.33倍。

3　绕城公路地道围护结构计算

绕城公路地道型钢支撑主对撑是由8根H350构成，型钢之间用槽钢连接成一整体。八字撑是由7根H350构成，而靠近围护结构的小对撑由6根H350构成。为承受支撑重量，设置了多道竖向支撑梁，间距约8 m。每根支撑梁由3根H350型钢立柱支承，每根型钢的竖向承载力不小于2 500 kN。

若计算中不考虑预加力的影响，其刚度为：

按此刚度计算，则主要计算结果为：

基坑最大水平位移为23.8 mm，坑顶水平位移为13 mm，最大地面沉降采用抛物线方法计算为33 mm。

若设计及实际施工中，考虑施加70%的预加力，则刚度达31.74 MN/m，此时计算所得最大水平位移为7.73 mm，坑顶水平位移为0，其影响是显而易见的，而此时的支撑强度和稳定性验算亦满足规范要求。这就说明，该工点支撑型钢数量可相应减少，通过增加支撑预加力来提高支撑刚度。由于篇幅所限，详细计算过程可参见《装配式预应力鱼腹梁内支撑系统在基坑工程的应用》（市政总院立项课题，编号2011-25）课题研究报告。

然而，实际施工中，由于部分原因，支撑并未有效施加预应力，则导致出现了较大水平位移、顶圈梁裂缝等问题。尽管事后分析，造成该问题的原因可能还存在周边高压旋喷桩施工的影响等诸多因素，仍可以看出在设计和施工中合理取定支撑刚度值的重要性。

在后来两侧敞开段施工时，暗埋段的经验教训，设计中减小了八字撑的跨度，将型钢主撑的型钢数量增至11根，以增强支撑刚度，其右侧敞开段围护平面见图3。

计算结果如下：

以第二组型钢对撑为例，该段总宽58.5 m，包含一半38 m鱼腹梁、一半28 m鱼腹梁，中间型钢支撑平面范围为25.5 m。左侧鱼腹梁处基坑深度为9.6 m，取该点的土压力（支撑反力）作为计算结果。结合暗埋段的经验教训，支撑采用11根H350×350×12×19型钢构成，且在各型钢上补加斜向连接件，进一步保证支撑的整体性。设计支撑的预加力为支撑反力的70%，支撑刚度取为：

图3　右侧敞开段的围护平面

采用理正基坑软件计算可得基坑最大水平位移为11 mm，满足规范要求。实际监测数据多数位于20 mm左右，亦在允许范围内。究其原因之一，主要是支撑构件是由若干个型钢杆件对接而成，受力后接缝处会进一步密实，从而造成实测基坑水平位移大于理论值。

4　主要结论及讨论

围护结构的变形（支撑刚度）和强度是基坑工程设计的两大主要内容，现行国家规范对常规的钢筋混凝土和型钢支撑的刚度计算做了明确规定。但是，对于新型的装配式鱼腹梁内支撑系统，仍没有一个合理的刚度计算模式，只是在一边应用一边摸索，初步估计支撑刚度在40～50 MN/m。本文紧扣实际工程案例，通过理论分析、反演推导的方法，认为在不考虑预加力作用的情况下，仅当支撑跨度不大时尚可满足；当基坑宽度较大时，支撑刚度大幅减小，远远达不到经验值（当然，与型钢数量有关）；而强度和稳定性可通过限制计算长度而保持不变。为获得支撑刚度和强度较好地平衡，应充分考虑预加力对支撑刚度的影响。本文提出了“表观刚度”的计算方法，供同行批评指正，共同推动该类新支撑技术的发展。

[1]JGJ 120-120,建筑基坑支护技术规程[S].

[2]GB50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

[3]DGJ32/J 12-2005,南京地区建筑地基基础设计规范[S].

[4]DBJ/T15-20-97,建筑基坑支护工程技术规程[S].

[5]DGJ08-61-2010,基坑工程技术规范[S].

[6]姚燕明,周顺华,孙巍,等.支撑刚度及预加轴力对基坑变形和内力的影响[J].地下空间,2003,23(4):401-455.

[7]张明聚,合欢,李春辉,等.明挖地铁车站围护结构受力变形监测与数值模拟分析[J].北京工业大学学报,2013,39(6):875-879.

[8]高涛,刘永勤,王伟,等.地铁车站深基坑围护结构变形及内力影响因素研究[J].工程勘察,2010(增1):223-230.

[9]徐洋,何丽波,许国平,等.基坑支撑刚度计算方法辨析及其对支护桩内力的影响[J].建筑结构,2006(11):62-63,85.

[10]杨敏,熊巨华.建筑基坑支撑结构体系水平刚度系数的计算[J].岩土工程技术,1999(1):13-16.

[11]刘国彬,王卫东.基坑工程手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[12]夏明耀,曾进伦.地下工程设计施工手册(第一版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.