基坑工程装配式钢管混凝土内支撑体系设计方法

张明聚, 郭雪源, 马 栋, 黄立新, 王武现

(1.北京工业大学 北京城市交通协同创新中心， 北京 100124；2.中铁十六局集团有限公司， 北京 100018)



基坑工程装配式钢管混凝土内支撑体系设计方法

张明聚1, 郭雪源1, 马 栋2, 黄立新2, 王武现2

(1.北京工业大学 北京城市交通协同创新中心， 北京 100124；2.中铁十六局集团有限公司， 北京 100018)

为了解决常用基坑内支撑刚度不足、拆装不便等问题，针对明挖地铁车站基坑工程特点提出装配式钢管混凝土内支撑体系，包括标准直撑、短接直撑及连接节点等. 根据该支撑体系受力和结构特点，推导了各组成部分的内力计算公式；依据钢管混凝土规范和压杆稳定欧拉公式，建立了钢管混凝土支撑、围檩等部件的承载力计算方法；通过混凝土材料的配合比设计及工作、物理、力学性能检测试验，配制出了具有轻质、微膨胀和自密实性能的CL50高强混凝土作为钢管混凝土内支撑的填充材料；以北京地铁某车站基坑工程设计资料为依据，对其标准段进行了详细的支撑体系设计，并对基坑变形、稳定性和支撑受力进行了验算. 研究结果表明：所提出的内支撑体系设计计算方法合理可靠，所设计的装配式钢管混凝土内支撑体系能满足该基坑工程内支撑体系受力和基坑稳定的要求.

基坑支护；钢管混凝土；内支撑体系；装配式结构

钢管混凝土利用钢管与核心混凝土的相互作用，提高混凝土抗压强度，延缓钢管的局部屈曲[1-2]，在轴压和小偏心受压杆件结构中，表现出良好的受力性能，在建筑工程、桥梁工程及地下工程中应用广泛[3-6]. 基坑内支撑受自重和土压力作用，是小偏心压弯杆件结构，采用钢管混凝土的结构形式是合理可行的.

国内外学者已提出了一系列基坑内支撑体系新形式，主要包括装配式钢筋混凝土结构和钢管混凝土结构2类. 詹集明[7]提出了装配式连拱形钢管混凝土内支撑结构，对构件和节点设计确定了明确的原则，给出了多种体系设计形式. 谢伟等[8]提出了拼装式深基坑内支撑体系及其体系结构计算的简化模型. 该体系主要由立柱、围檩和预制混凝土梁组成，预制混凝土梁通过螺栓拼装，通过活络头调节支撑的长度. 井国庆等[9]提出一种基坑横向内支撑，在每根钢管内灌注混凝土，首尾通过2个半环形箍，用螺栓和螺母连接，形成钢管混凝土结构. 张明聚等[10-11]针对深基坑多道支撑提出了采用钢管混凝土体系增加内支撑结构的整体性和稳定性. 王祺国[12]提出了一种硫磺胶泥- 钢筋混凝土支撑形式，把硫磺胶泥作为构成支撑的一部分置于支撑之中，既具有混凝土支撑的刚度与强度，又利用了硫磺胶泥的热熔性，拆除方便. 刘全林等[13]提出了一种高刚度整体预应力装配式基坑支护内支撑系统，包括可沿其轴线向基坑外侧施加预应力的对撑、角撑和围檩，提高了支撑刚度和稳定性，且为围檩提供了预应力. 魏建华等[14]提出了一种工具式钢管混凝土支撑构件，包括截面为矩形的钢管，钢管内填充有混凝土，管壁上设置有翼缘板，翼缘板上设置有螺栓孔，可用作基坑对撑、角撑、围檩、立柱等构件. 钱久军等[15]提出了一种基坑支护系统的预制装配式内支撑体系，该体系包括压顶梁、围檩和内支撑，内支撑由预应力空心方桩通过节点连接件拼接装配而成. 周继忠等[16]提出了一种深基坑支护挡墙钢管混凝土支撑结构，包括依次连接的预制钢管混凝土接头组件和预制钢管混凝土直段组件，各组件均通过端头的螺栓、法兰盘进行锁合连接. 王金海等[17]提出一种组合内支撑结构，将预制混凝土构件作为结构的主体部分，承担深基坑支护所需承受的荷载，采用钢套筒进行相邻预制混凝土构件间的对接.

对于装配式高性能基坑内支撑虽已有多种结构形式提出，但其设计计算方法的研究不够深入，实际工程应用较少. 本文以地铁车站基坑工程为背景，提出装配式钢管混凝土内支撑体系，研究提出可用于该类内支撑设计的分析计算方法，并通过工程实例设计分析，验证计算方法的合理性和可靠性.

1 装配式内支撑体系方案及优点

一般地，地铁车站呈长条形，采用明挖法修建时，基坑长度多大于150 m，标准段宽度为18.5～23.0 m，适合内撑式支护形式.

所设计的钢管混凝土内支撑体系由多道钢管混凝土内支撑框架组成，见图1. 当所需支撑力较小时，钢管混凝土支撑采用单肢设计，见图2；需支撑力较大时，采用双肢的支撑结构形式，见图3. 该内支撑框架由钢管混凝土构件通过三面翼缘的法兰、螺栓拼装连接构成，构件类型包括标准直撑构件、节点构件和短接直撑构件. 标准直撑构件为长6、3 m或1 m的标准长度直杆件；节点构件用于该支撑框架各部分的连接，单肢支撑与围檩间采用T型节点构件，双肢支撑与围檩间采用Π型节点构件，八字撑与支撑、围檩间采用Y型节点构件连接；短接直撑构件是为满足不同基坑尺寸和内支撑体系拼装长度的要求，小于1 m的填充用直杆件. 所有钢管混凝土构件的截面均为相同尺寸的矩形，见图4，对于构成钢管混凝土围檩的构件，其矩形截面的长边(高)沿水平方向设置；对于构成钢管混凝土支撑的构件，其矩形截面的短边(宽)沿水平方向设置. 钢管混凝土构件由壁厚大于4 mm的矩形薄壁钢管内部填充具有高强、轻质、微膨胀和自密实等性能的高性能混凝土构成，含钢率为6%～10%. 支撑体系的围檩与围护结构间由施工误差产生的间隙，采用具有早强微膨胀性能的高强水泥砂浆进行填充，见图5.

支撑体系的支撑和围檩采用相同截面的构件，均为矩形截面，根据支撑和围檩的受力特点，调整矩形截面放置的方向，增加了结构受弯方向的截面惯性矩，尤其是对钢管混凝土支撑，增大了支撑自重方向抗弯刚度，从而提高了支撑弯矩作用平面内的稳定性. 构件间采用三面翼缘的法兰相互连接，有一侧无翼缘的法兰设计保证了围檩与围护结构接触面的平整，同时，无翼缘一侧位于构件受压部分，不会影响构件连接处性能. 采用单肢支撑和双肢支撑2种方案来适应各道支撑所需承载力的变化. 在高性能的材料和结构的保障下，该内支撑体系具有较高抗压刚度，控制基坑变形能力强；基坑宽度达20 m时依然可采用单跨设计，并且可以将支撑间距扩大至6 m左右，为基坑开挖提供更大作业空间，因此，提出的钢管混凝土内支撑体系可适用于控制变形要求严格的长条形深基坑.

2 装配式钢管混凝土内支撑体系设计计算方法

2.1 内力计算方法

2.1.1 支撑、围檩内力计算方法

基坑内支撑轴力计算可采用经典解析法[18]、土抗力法[19-20]和有限元法[21-22]等方法，本文提出了围檩受最大弯矩的解析计算方法. 单肢及双肢内支撑体系围檩区段形式如图6所示，支撑对围檩的作用简化为支座，在土压力q的作用下，单肢结构的围檩可简化为固端梁模型，见图7(a)，其基于支撑轴力N的最大弯矩计算公式为

(1)

双肢结构的围檩可简化为连续梁模型，见图7(b)，其基于支撑轴力N的最大弯矩计算公式如下：

对双肢内支撑体系，支撑受轴力N与围檩受均布土压力荷载q的关系是

N=(l2+0.5l3)q

(2)

经推算围檩最大弯矩可能发生在支座A或B处，当l3>l2时

(3)

当l3≤l2时

(4)

由式(1)～(4)可知，单肢内支撑体系的围檩最大弯矩可由支撑轴力和支撑间距确定；此外，双肢内支撑体系的围檩最大弯矩还会受到八字撑支点位置的影响， 当l2=l3时为八字撑支点的最佳位置.

2.1.2 螺栓内力计算方法

钢管混凝土内支撑体系的构件间通过法兰螺栓连接，构件连接处螺栓组受力形式如图8所示，受拉螺栓中，距离中性轴最远的螺栓E的内力值即为螺栓组的最大内力控制值.

1) 围檩螺栓内力计算方法

单肢及双肢内支撑体系围檩区段螺栓位置、围檩内力计算模型和各参数含义如图6～7所示.

对单肢内支撑体系，围檩任意构件连接位置C处螺栓E受拉力为

(5)

受到剪力为

(6)

对双肢内支撑体系，围檩AB段任意构件连接位置C处螺栓E受拉力为

(7)

受到剪力为

(8)

围檩区段是对称性设计， D处为构件连接位置，D处螺栓E受拉力为

(9)

受到剪力为

N=0

(10)

式中：yi为螺栓距螺栓组中性轴距离；y1为螺栓距螺栓组中性轴最远距离；n为螺栓组螺栓个数.

由式(5)～(10)可知，单肢内支撑体系的围檩螺栓最大内力可由支撑轴力、支撑水平间距、螺栓组所在位置和螺栓布置情况确定，确定螺栓组位置的参数x是螺栓优化设计的重要参数；此外，双肢内支撑体系的围檩螺栓最大内力还会受到八字撑支点位置的影响.

2) 支撑螺栓内力计算方法

单肢及双肢内支撑体系支撑区段螺栓位置、支撑内力计算模型和各参数含义如图9～10所示，围檩对支撑的作用力可等效为铰接支座.

对单肢内支撑体系，支撑任意构件连接位置C处，螺栓E受拉力为

(11)

受到剪力为

(12)

对双肢内支撑体系，支撑任意构件连接位置C处，螺栓E受拉力为

(13)

受到剪力为

(14)

由式(11)～(14)可知，由于单肢内支撑体系的支撑螺栓最大内力计算考虑了二阶弯矩效应，计算结果不仅取决于支撑长度、支撑自重，螺栓组所在位置和螺栓布置情况，还受到支撑轴力、支撑截面参数和材料参数的影响；此外，双肢内支撑体系的支撑螺栓最大内力还会受到八字撑长度的影响.

2.1.3 承托结构内力计算方法

1) 工字钢内力计算

分别在图6的1-1、2-2位置做剖面，得到内支撑体系承托结构布置情况如图11所示.

支撑体系的自重是通过钢管混凝土支撑端部传导给工字钢，再经由薄钢板、三角架和胀管螺栓最终传导至围护结构的. 忽略薄钢板的抗弯承载力，工字钢和三角架对体系的承托作用可简化为连续梁计算模型，见图12，其最大截面弯矩即为工字钢内力控制值.

2) 三角架及胀管螺栓内力计算

三角架受工字钢压力为N，填缝用水泥砂浆自重荷载为q，胀管螺栓简化为铰支座，其内力计算模型如图13所示，解得的结构内力即为三角架角钢内力，支座反力即为胀管螺栓内力.

2.2 支撑体系承载力计算方法

2.2.1 支撑承载力计算方法

根据文献[23-24]，对于单肢及双肢内支撑体系，支撑的抗压承载力计算只在参数的取值上有区别，计算方法相同，计算结果的解析解如下：

1) 支撑弯矩作用平面内的承载力计算

(15)

(16)

2) 弯矩作用平面内的稳定性计算

记

(17)

当B2<4AC时

(18)

当B2>4AC时

(19)

当B2=4AC时

(20)

(21)

3) 弯矩作用平面外的稳定性验算

(22)

式中：N1、N2、N3、N4、N5分别为各计算内容中支撑抗压承载力设计值；M0为杆件在自重作用下的跨中弯矩；Nu为轴心受压时截面受压承载力设计值；Mu为只有弯矩作用时净截面的受弯承载力设计值；PE为欧拉临界力；N′E为欧拉临界力设计值；φx、φy分别为弯矩作用平面内、弯矩作用平面外的轴心受压稳定系数；αc为混凝土工作承担系数；β为等效弯矩系数；γ为安全系数.

钢管混凝土支撑的抗压承载力设计值为

N=min {N1,N2,N3,N4,N5}

(23)

对于双肢内支撑可认为杆件弯矩作用平面外计算长度由l′减小至l′-2l″. 由计算结果可知，内支撑抗压承载力受结构、力学参数，支撑自重两方面因素影响，采用轻集料混凝土作为填充材料可提高内支撑抗压承载力.

2.2.2 围檩、承托结构和螺栓承载力计算方法

本体系的钢管混凝土围檩按文献[24]计算公式即可得到其截面抗弯承载力设计值；依据文献[25-26]分别计算工字钢抗弯承载力设计值，三角架角钢杆件的拉弯、压弯承载力设计值，胀管螺栓钢材破坏受拉承载力设计值、围护桩混凝土椎体受拉承载力设计值和混凝土抗劈裂破坏承载力设计值；支撑和围檩上螺栓均处于拉、剪受力状态，依据文献[25]计算螺栓该受力状态下的承载力设计值.

3 装配式钢管混凝土内支撑体系设计实例

3.1 工程概况及内支撑方案

北京地铁某车站基坑总长222.9 m，分南端盾构井、标准段和北端盾构井3部分，标准段长170.3 m，宽21.0 m，深18.5 m. 该地铁车站地层由人工堆积层和第四纪沉积的黏性土、粉土、砂土交互而成，局部见少量碎石土. 车站标准段地下水埋深19 m，地层参数信息如表1所示.

表1 地层结构及物理参数

针对标准段采用装配式钢管混凝土内支撑体系进行支护设计. 围护结构设计采用Ф800@1 000钻孔灌注桩，嵌固深度9.5 m；共架设3道钢管混凝土内支撑，距地面高度分别为1.9、9.15、13.7 m. 土压力较小的首道支撑和第2道支撑采用单肢支撑设计，土压力较大的第3道支撑采用双肢支撑并架设八字撑，支撑间距均为5.8 m. 支撑构件由壁厚8 mm的600 mm×480 mm矩形Q235薄壁钢管内部填充已配制出的具有轻质、微膨胀和自密实性能的CL50高强混凝土而构成.

3.2 内支撑体系设计计算

采用“理正深基坑7.0”对采用钢管混凝土内支撑体系支护方案的车站基坑标准段变形和稳定性进行检验. 由表2计算结果可知，采用设计的钢管混凝土内支撑进行基坑支护，基坑的整体滑动稳定性、抗倾覆稳定性、抗隆起稳定性、流土稳定性和突涌稳定性计算结果均小于规范给定的控制值，说明该支撑设计能满足基坑安全性要求；地表最大沉降计算值小于规范规定的控制值，说明该支撑设计能满足基坑变形控制的要求.

表2 理正深基坑7.0单元计算结果

表3、4分别为钢管混凝土支撑和围檩的内力及承载能力设计值计算结果，可知所设计的钢管混凝土支撑和围檩承载力设计值均大于各自的最大内力值，钢管混凝土支撑及围檩设计满足设计要求.

表3 支撑内力及承载力计算结果

表4 围檩内力及承载力计算结果

Table 4 Calculation results of the internal force and the bearing capacity for the ring-shape purlin

验算对象道最大弯矩/(kN·m)本文方法理正法承载能力/kN首道193.21791008.8围檩第2道788.85081008.8第3道281.02681008.8

4 结论

1) 装配式钢管混凝土支撑体系应选择小偏心受压性能良好的矩形截面钢管混凝土；采用标准构件、短接构件和节点构件相配合的装配化组装方式；采用单肢和双肢两种支撑形式来适应土压力大小变化；采用单跨设计，将支撑水平间距扩大至6 m左右.

2) 给出基于支撑轴力的围檩、围檩螺栓、支撑螺栓的最大内力计算方法；推导出钢管混凝土支撑抗压承载力设计计算公式；形成包含内支撑体系内力和承载力计算的一套完整的内支撑体系设计计算方法.

3) 实例分析结果表明：提出的内支撑体系设计计算方法与理正软件计算结果相近，设计能满足地铁车站基坑支护对支撑体系在性能上的要求.

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(责任编辑 郑筱梅)

Design Methods of the Concrete-filled Steel Tube Inner-bracing System for Deep Excavation

ZHANG Mingju1, GUO Xueyuan1, MA Dong2, HUANG Lixin2, WANG Wuxian2

(1.Beijing Collaborative Innovation Center for Metropolitan Transportation, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.China Railway 16th Bureau Group Co., LTD., Beijing 100018, China)

Centered on the characteristics of deep excavation engineering for open-cut subway station projects, a fabricated inner-bracing system of concrete-filled steel tube, which consisted of normal straight components, short components, connection joints, etc., was developed. Based on the features of inner-bracing stress and structure, the internal force calculation formulas were derived from all the components. Referring to the specifications of concrete-filled steel tube and the formulas of column stability, several calculation methods of bearing capacity for the supports and ring-shape purlin were proposed. The mix proportion of filled concrete was designed, and the concrete physical, working and mechanics properties were detected by material tests, and then the lightweight, slight expansion and self-compacting concrete were prepared as the inner-bracing filling material. Taking a deep excavation engineering of a station project in Beijing Subway as a case, the inner-bracing system of normal section foundation pit was designed and studied. The results show that the calculation methods of inner-bracing system design is reasonable and reliable, and the designed inner-bracing system meet the requirements of excavation support force and foundation pit stability.

foundation pit support; concrete-filled steel tube; inner-bracing system; fabricated construction

2016- 04- 15

国家自然科学基金资助项目(51538001)；北京市教育委员会科技计划资助项目(KZ201410005007)

张明聚(1962―)，男，教授，主要从事地下工程支护结构及风险管理与控制方面的研究，E-mail:zhangmj@bjut.edu.cn

TU 924

A

0254-0037(2016)12-1848-09

10.11936/bjutxb2016040051