基坑混凝土栈桥上部结构设计初步分析

张宏亮 , 尤匡飞, 张宏燕

(1. 台州市交通勘察设计院,浙江 台州 318001；2.河南省地矿局第一地质勘查院,河南 郑州 450001)

近些年来,随着市区可利用土地越来越少,城市建设向开发地下空间方向倾斜,出现了许多形状复杂,占地面积较大,挖土深度较深的基坑工程。有时为有效利用红线内面积,地下室范围线往往贴近用地红线布置,造成红线内可作为材料堆场、运土通道的场地少。基坑围护结构为建筑物地下结构部分安全施工提供保障,一般安全度较低,有效使用时间较短,随着基坑深度的增加,土方开挖方量加大,开挖工期变长,长时间暴露的基坑受周边荷载的影响,蠕变变形量增大,围护结构失效的风险加大。为解决上述问题,主要采用设置栈桥的方法,通过设置栈桥,可以很好地改善土方运输条件,提高土方开挖外运效率,缩短工期,节约工程造价[1]。

栈桥主要有钢栈桥和钢筋混凝土栈桥,为了加强支撑刚度,节省造价,一般采用首道支撑与栈桥相结合的形式布置。此时栈桥上荷载较多,受力较复杂,目前尚无可靠的分析方法,故设计者往往根据以往的成功经验来选取支撑梁截面尺寸和配筋,因而主观性较大。于是，分析混凝土栈桥上部支撑结构的受力情况,使设计模型与真实情况相符合,才能达到安全使用、技术先进、经济合理、保证质量的设计要求。

1 栈桥荷载

混凝土栈桥上部结构一般由栈桥支撑梁和板组成。栈桥荷载的确定是整个栈桥设计的基础[2]。栈桥受到来自于垂直与水平方向的荷载作用。垂直方向荷载主要有两部分：一部分为栈桥梁板自身的重量和作用在栈桥板上的恒荷载,该荷载受力明确,较好确定；另一部分为作用在栈桥板上的施工活荷载,主要有施工堆载和运土车辆动荷载,这部分荷载动态变化。水平方向荷载主要为作用在栈桥梁上的支撑轴力,该力随挖土深度增大而增大,一般采用平面有限元法计算。为挖运基坑内土方,栈桥主要作为运土车的行车通道。

2 荷载简化为集中力

运土车通常有三排车轮,一般考虑运土车满载土方时质量为50 t[3],第一排与第二排轮距为4.0 m,第二排与第三排轮距为1.4 m,见图1。运土车宽度一般小于支撑梁横向跨度,为便于计算,假定运土车荷载为作用于单根支撑梁上的集中力,满载时第一排荷载为100 kN,第二排和第三排荷载均为200 kN。梁容重为25 kN/m3,计算时考虑支撑梁自重,恒载的分项系数取1.2,活载的分项系数取1.4[3],计算模型见图2。

图2 运土车满载土方时集中力计算模型

运土车在栈桥上行驶时,作用于栈桥上的荷载位置是变化的。在支撑梁跨度一定的情况下,通过分析运土车在支撑梁上不同位置处支撑梁的内力情况,查找出最大弯矩时运土车的所在位置。

运土车在支撑梁上的位置以第三排车轮距支撑梁左侧端点的距离(图1中在支撑梁行进距离)表示,假定支撑梁跨度为8.0 m,梁的尺寸为800 mm×1000 mm(h),计算运土车通过整个支撑梁时的最大弯矩变化情况,见图3。

图3 运土车在支撑梁行进时的最大弯矩变化情况

由图3可以看出,随着运土车在支撑梁上行进,最大弯矩先变大然后逐渐变小,最大弯矩在420～856 kN·m之间变化,变化幅度达104%,最大弯矩出现在运土车行进到支撑梁2.0 m处,此时整辆运土车的重心距离支撑梁中点最近。由此可以看出,最不利情况出现在运土车重心与支撑梁中点重合时。

3 荷载简化为分布力

当运土车荷载为作用于单根支撑梁上的分布力时,分布力q=500/5.4=92.6 kN·m,作用长度为5.4 m,作用区域见图4。

图4 运土车满载土方时分布力计算模型

此时支撑梁最大弯矩为821 kN·m,较集中力计算情况减少4%。说明在求支撑梁最大弯矩时,将运土车荷载简化为集中力模型与分布力模型区别不大,因此可以根据具体情况自主选择计算模型。

4 多辆运土车在栈桥上行走

具体施工时,为提高基坑挖土效率,栈桥上不仅仅只有一辆运土车,有时有另外一辆运土车或挖土机停靠在相邻或相隔支撑梁上,分别建立相邻与相隔支撑梁情况下的计算模型,见图5。

图5 运土车分别在相邻与相隔支撑梁上的计算模型

每跨支撑梁上作用荷载及位置同第一跨,经计算得运土车在相邻支撑梁时最大弯矩为954 kN·m,相隔支撑梁时最大弯矩为911 kN·m,分别较栈桥上仅有单辆运土车时最大弯矩增长11.4%和6.4%。可见栈桥上运土车间隔较近时对支撑梁有较大影响。为确保栈桥安全,实际施工时应对栈桥上运土车数量及间距进行现场控制,避免出现两辆运土车同时在栈桥上运行。

5 支撑梁跨度的选取

运土车荷载在竖向平面内对支撑梁产生较大的附加弯矩,合理选取支撑梁的跨度对优化栈桥设计至关重要。当跨度在6.0～12.0 m范围变化时,支撑梁最大弯矩见图6。

图6 支撑梁跨度随最大弯矩变化情况

由图6可知，支撑梁跨度与最大弯矩近似成线性关系,随着跨度的增长,最大弯矩增长较快。当跨度选取较大时,弯矩过大,支撑梁截面及配筋相应增加,且跨度过大,栈桥安全度降低。当跨度选取较小时,立柱及支撑梁间距过密,造成挖土机械施工空间过小,影响出土效率。具体跨度的选取应根据实际情况综合考虑,一般情况下对撑栈桥梁跨度不宜大于9.5 m,角撑栈桥梁跨度不宜大于11.0 m。

6 栈桥板设计

支撑梁下的栈桥板一般按双向板设计,由于运土车轮压的动态变化,一般将荷载等效为均布荷载分析,根据萧彦杰等[4]人的研究,等效荷载与板厚的关系不大,双向板跨度在6.0～8.0 m范围变化时,等效荷载取20.0～30.0 kN/m2。根据经验,板厚一般不小于跨度的1/30,取200～350 mm。在运土车行进过程中,栈桥板与车轮间的作用使得板中的正负弯矩变化复杂,为施工方便,同一块栈桥板厚度取统一值,配筋采用双向双排布置。在具体项目上,往往直接考虑支撑梁承受全部的运土车荷载和其他施工荷载,而将栈桥板对荷载的分配作为一定程度的安全度提高。

7 工程实例

温州某基坑总建设用地面积21 814 m2,主要由5F农贸市场及其周围配套设施组成,并设地下室2层,地下室建筑面积25 373.3 m2,基坑总延长米约为640 m,挖土深度9.75～10.90 m,基坑呈纺锤形。基坑三侧均为市政道路,一侧分布浅基础民房,道路靠近基坑侧下部分布较多市政管线,围护边线距离用地红线最近处仅2.0 m,红线内无可用的施工场地。

场地为海相沉积平原地貌,分布有厚达20余米的饱和淤泥,围护结构采用钻孔灌注桩排桩+二道水平钢筋混凝土支撑进行支护,钻孔灌注桩外围布置一排三轴水泥搅拌桩作为止水帷幕,被动区采用三轴水泥搅拌桩进行加固。土方开挖量达13万m3,考虑工期要求,为达到出土方便及节省造价的要求,采用首道支撑梁与栈桥相结合的形式布置支撑,栈桥平面(阴影区域)及剖面见图7。

图7 栈桥平面布置图及剖面图

栈桥横跨基坑,为九跨连续梁,栈桥跨度按9.0 m 考虑,等效荷载取30.0 kN/m2,运土车荷载取500 kN,栈桥支撑梁考虑支撑轴力的影响,按双向偏心受压杆件进行设计,栈桥板厚度取300 mm,栈桥梁及板配筋见图8。

图8 栈桥梁及板配筋图

根据设置在立柱桩上的支撑梁沉降观测点及坑外土体深层沉降观测点观测结果显示,最大累计观测值仅为报警值的63%与54%,混凝土栈桥运行良好,达到了设计要求。

8 结 语

1)通过设置栈桥,可以提高土方开挖外运效率。

2)运土车行进在支撑梁上最不利情况出现在运土车重心与支撑梁中点重合时。

3)运土车荷载简化为集中力模型与分布力模型区别不大。

4)为确保栈桥安全,应避免出现两辆运土车同时运行。

5)支撑梁跨度与最大弯矩近似成线性关系。

6)实际工程中将栈桥板对荷载的分配作为一定的安全储备。