上海某基坑工程考虑冗余度的支撑体系设计

戴 国 霖

(上海电力建筑工程公司，上海 200437)

上海某基坑工程考虑冗余度的支撑体系设计

戴 国 霖

(上海电力建筑工程公司，上海 200437)

传统环梁形式的水平支撑体系存在连续破坏的安全隐患，考虑冗余度设计方法，引入临时转换受力体系的设计思想，将角支撑设为主支撑，有效的增加了传力路径。留出足够的时间进行环形支撑的修复，从而避免基坑支撑体系发生连续破坏。该设计方法在上海某基坑工程中得到了应用。

基坑工程，冗余度，连续破坏，环形支撑

1 概述

随着城市建设发展，大面积深基坑的垮塌对周边环境的影响越来越大，其支撑体系一旦发生连续倒塌，后果极其严重。传统的基坑支撑体系设计没有考虑基坑支护系统的连续破坏问题，对基坑支护体系冗余度的评价方法及冗余度指标等也缺乏针对性研究。基坑水平支撑体系中环形水平支撑由于土方开挖方便、经济性良好，近年来在大面积深基坑中得到了广泛应用。然而，由于环形结构的特点，其发生整体破坏的可能性非常大，而破坏的后果极其严重。本文结合上海某基坑工程设计，对其支撑体系开展冗余度研究。采用拆除构件法，对局部构件破坏情况下的支撑体系进行受力分析。在此基础上，提出了少量增加工程量，有效增加冗余度的设计方法。

2 工程简介

2.1工程概况

项目位于上海虹桥临空园区内，建设区域范围东至淞虹路，西北临近园区内多幢已建建筑物，南至金钟路。包含三个地下2层地上8层的科研楼，地下2层规划为人防设施及停车库使用。建筑物上部8层，地下室2层，建筑高度为40 m，总建筑面积108 040.45 m2，其中地下建筑面积为45 109.62 m2。基础采用桩基+承台梁板的形式，承台高1 900 mm，承台间拉梁高1 800 mm，工程桩全部采用钻孔灌注桩。建筑物的±0.000对应绝对标高4.330 m。

基坑开挖深度10.5 m，总长度233.1 m，最窄处宽度92.9 m，最宽处宽度112.9 m。

2.2地质和水文条件

基坑工程设计参数见表1。

对工程有影响的地下水为浅层潜水(地下水高水位埋深为0.5 m，低水位埋深为1.5 m)和第⑤2-1层微承压水。

表1 基坑围护设计土层参数

2.3周边环境

东侧为正在进行施工的淞虹路，路面标高和场地标高相近，约为绝对标高3.350 m的淞虹路已经铺设完规划管线，其中距离红线一侧约7 m为规划电力电缆和信息管线，距离红线约10 m为规划上水管和燃气管，距离红线15 m为规划上水管，距离红线20 m为规划雨水管，距离红线29 m为规划污水管。由于红线距离基坑开挖边界尚有一定距离，因此淞虹路下方管线距离基坑最近的规划电力电缆、规划信息管线力基坑开挖边界距离大于20 m。

基坑西侧距离红线最近处为3 m，距离红线最近的建筑物约8 m(基坑西南侧)采用300×300方桩作为桩基，桩长27 m，桩顶绝对标高+1.000。

南侧的金钟路距离红线一侧约2 m～4 m为规划电力电缆和上水管，距离红线约5 m为规划信息管，距离红线9 m为规划雨水管，距离红线13 m为规划污水管。

北侧为建设单位后期用地，宽度大于30 m。

3 基坑工程冗余度的概念

3.1广义结构冗余度

冗余度在关于连续倒塌的课题研究及文献中被提及，但还没有确切的定义。冗余度的作用概况以下两点：1)提高结构在一般荷载作用下的可靠度；2)降低结构对偶然荷载的敏感性，即在偶然荷载作用下导致结构局部损坏后，将引起荷载的重分布，从而要求新的结构承载路径和承载方式。根据冗余度的作用可将结构冗余度概况为：提高结构整体性、增加结构传力路径以抵御结构瞬时连续倒塌的性质。因此冗余度应当包括结构体系冗余度和结构构件的冗余度，结构构件的冗余度又包括强度冗余度和刚度冗余度。

3.2基坑结构的冗余度

根据基坑工程的特点，基坑结构冗余度通常由结构体系的冗余度和构件的冗余度决定。以本文所述的基坑工程为例，环形支撑体系的冗余度包括支撑体系冗余度和环形支撑的冗余度。对环形支撑进行拆除破坏，发现环形支撑在本基坑结构体系中的灵敏度最高。因此，基于结构体系的冗余度考虑应当增加传力路径，而非单一的由环形支撑起主要作用；基于构件的冗余度包括强度冗余度和刚度冗余度，强度冗余度通过提高环形支撑的混凝土强度实现，但由于通过提高强度提高冗余度的效率非常低，同时考虑支撑体系整体浇筑，以及不同强度的交界面的应力集中等问题，提高强度冗余度在本工程中并不可取。刚度冗余度则通过适当放大环形支撑的截面以增加构件的刚度冗余度，但考虑工程经济性，本文在本工程中采取该方法。以下将详细介绍通过拆除构件法，提高基坑结构体系冗余度的工程方法。

4 考虑冗余度的支撑体系设计

4.1支撑体系设计方案

本工程共布置2道内支撑，采用C30混凝土，各道标高从上到下依次为-3.5 m，-8.3 m。

第1道,2道内支撑平面布置见图1。图中编号为(1)的环形支撑是有限元分析轴力最大的位置，编号为(2)的环形支撑是有限元分析轴力最小的位置。

支撑内力分析见表2。支撑平面最大变形Smax=33 mm。

表2 各道内支撑控制情况最大内力表

4.2支撑体系冗余度研究

由支撑体系内力和变形可知，环形支撑的破坏会对基坑支撑体系的整体性造成较大的影响，当环形支撑发生破坏时，支撑体系会发生连锁反应甚至整体垮塌。为此，本设计中引入了冗余度概念，考虑拆除杆件的冗余度设计方法，临时转变受力体系，避免在环形支撑发生局部破坏的情况下支撑体系整体垮塌，从而留出足够的时间以修复环撑。

本文对第2道环形支撑的轴力最大和最小的两个部位杆件拆除，即如图1所示编号为(1)和(2)的支撑位置，破坏其原有的环形支撑体系，并将16道角支撑设计为主支撑，然后对其进行受力分析。图2为考虑冗余度的设计方案临时受力体系图，通过有限元分析考虑冗余度设计方案的临时受力体系，得出支撑结构的平面最大变形为46 mm。

可见，采用临时受力体系通过少量增加工程量，即将16道角支撑截面放大，由连系支撑转变为主支撑，可在一定程度上控制支撑结构的变形，最大变形46 mm，从而留出足够的时间以修复环形支撑，避免结构发生整体的脆性破坏。

5 结语

本文在工程设计中考虑冗余度分析方法，对支撑体系进行冗余度设计研究。对比了环形设计方案和考虑冗余度的设计方案，提出在少量增加工程量的情况下，提高基坑支撑体系抗连续破坏的能力。得到如下结论：1)本工程考虑冗余度，引入临时转换受力体系的设计思想，将角支撑设为主支撑，有效的增加了传力路径。留出足够的时间进行环形支撑的修复，从而避免基坑支撑体系发生连续破坏。2)对水平支撑体系进行分析，确定体系在局部杆件拆除时的破坏位置，明确破坏的扩散方式和影响范围，最终得到支撑体系的整体破坏荷载，进而结合冗余度分析确定水平支撑体系的关键构件。3)对大面积复杂深基坑的支撑体系开展冗余度分析，优化支撑设计，提高水平支撑系统的冗余度有非常重要的实际意义。在设计时可适当提高关键构件承载能力；在施工及使用过程中，应对其加强监测与保护。

此外，大面积复杂深基坑，通常需要分期、分批拆除水平支撑，本文提出的连续破坏模拟方法也适用于对水平支撑拆除的模拟和安全评估。

[1] JGJ 120—99，建筑基坑支护设计规程[S].

[2] DBJ 08—61—97，上海市标准基坑工程设计规程[S].

[3] 郑 刚，程雪松，张 雁.基坑环梁支撑结构的连续破坏模拟及冗余度研究[J].岩土工程学报，2014，36(1):105-117.

Bracingsystemdesignofafoundationpitconsideringtheredundancyrate

DaiGuolin

(ShanghaiPowerCivilConstructionCompany,Shanghai200437,China)

Traditional ring-beam horizontal bracing system has the hidden danger of successive failure. The paper provides a new design method with change of the force system by considering the redundancy rate. The angle supports are treated as the main supports to effectively increase the force transfer pathway. In this case, sufficient time is saved for repairing the ring-beam bracing system to avoid the successive failure of the foundation pit. The design method was successfully applied in a foundation pit in Shanghai.

pit foundation, redundancy rate, successive failure, ring-beam bracing system

1009-6825(2017)29-0094-02

2017-08-05

戴国霖(1965- )，男，工程师

TU751

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