基坑工程中混凝土栈桥体系计算方法研究

毕成双

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 200092)

引言

近年来城市发展对建设用地需求量巨大， 城市的土地资源日趋紧张， 许多城市已经转向深层地下空间资源的开发利用。 地下空间开发利用类型也呈现多样化发展， 逐渐从单一的人防工程拓展到集交通、 市政、 商服、 娱乐、 休闲等为一体的空间立体化形态[1]。 相应地造成基坑工程的规模向“深”、 “大”方向发展[2]。 与此同时， 受周边道路、 建筑物以及各种市政管线的制约， 基坑工程普遍面临四周场地狭小， 土方运输通道受限的难题。 通过设置栈桥， 为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[3]。 但目前不少基坑工程仍以经验类比来进行栈桥体系设计， 与实际情况相差甚大， 造成了一定的工程浪费或安全隐患。 因此，亟需统一栈桥体系的计算方法及进行受力分析的标准。

本研究依托于上海市地铁14 号龙居路站基坑工程案例， 系统地阐述了混凝土栈桥体系的特点， 简化了栈桥体系的计算方法。 并采用有限元软件MIDAS GTS NX 建立三维整体计算模型， 把数值模拟值与简化计算方法的结果进行对比分析， 验证了简化计算方法的合理性， 对此类工程具有现实指导意义。

1 混凝土栈桥体系特点

混凝土栈桥一般由混凝土支撑、 栈桥梁、 栈桥板及格构柱四部分结构组成(见图1)， 通过栈桥板、 主梁和次梁的设置将集中或分散的荷载传至支撑立柱桩上。 栈桥上的主要荷载有: ①竖向恒荷载—结构梁板自重及作用在栈桥板上的恒荷载； ②竖向活荷载—作用在上部栈桥结构板面上的施工活荷载； ③水平向支撑荷载—作用在支撑梁上的水平向水土压力(支撑力)[4]。

图1 混凝土栈桥的组成体系Fig.1 Composition of concrete trestle bridge

混凝土栈桥上的竖向活荷载是区别于其他结构体系的主要特点， 原因有以下几方面:

(1)荷载种类多: 包括堆载、 施工荷载、 人群荷载、 车辆荷载(如履带吊、 挖机、 渣土车、泵车)等， 见图2。

(2)荷载数值大: 包括履带吊60t、 挖机26t、渣土车25t 等， 且需根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60 -2015)[5]考虑动力系数。

(3)荷载组合方式多: 竖向移动荷载的随机性大， 且具有不确定性。

图2 混凝土栈桥的施工现场Fig.2 In-situ photo of the foundation pits

2 混凝土栈桥体系计算方法

根据混凝土栈桥体系的特点， 混凝土支撑应进行平面内(水平面内)与平面外(竖直向)计算，在平面计算模型中围压和约束的设置应与支护结构实际情况相符。 栈桥梁和栈桥板的内力应按影响线方法进行求解， 但由于栈桥上活载“大”、“多”、 “变”的特点， 求解复杂且计算量大， 为简化计算， 栈桥梁按单跨简支梁进行计算， 栈桥板按单块板进行计算。 既可减少栈桥体系的计算量， 又保证栈桥体系的强度和变形要求。

2.1 围压

围压即围护墙体传递的水平侧压力， 等于内支撑反作用于围护结构上每延米的力。 根据支撑与围护结构的连接关系， 支撑只限制围护墙体位移， 不限制围护墙体转动， 因而各道支撑之间围护墙体有一位置剪力为零， 见图3， 图中L1、L2、L3为支撑竖向间距，X1、X2为支点反力。

图3 支撑轴力简化计算模型Fig.3 Simplified calculation model of axial force of horizontal bracing system

支撑的轴力取支撑间距内围护墙体上、 下剪力为零范围内的水平侧压力之和。 剪力为零的位置可根据力法基本方程[6]， 按公式(1)计算确定。 由于计算量较大， 且各支点位移求解复杂， 可利用同济启明星深基坑计算软件求得内支撑轴力。 但基坑计算软件中需输入计算参数—支撑刚度， 该参数需通过迭代计算得出，解法示意见图4。

图4 支撑刚度的迭代计算Fig.4 Iterative computations of bracing system

2.2 约束

混凝土栈桥体系周边与土体相互作用， 两端与围护墙体相连， 中部与格构柱相接。 因而， 周边土体限制了其水平位移， 围护墙体和格构柱限制了其竖向位移， 见图5。

图5 栈桥体系的简化计算模型Fig.5 Simplified calculation model of trestle bridge

2.3 平面内计算

平面内以混凝土栈桥体系所在平面为水平面，荷载作用方向和平面方向一致， 无竖向变形， 栈桥体系须承担围压引起的强度和变形要求。 平面内的混凝土栈桥体系可按刚架体系进行计算。 若基坑周边围压对称， 可施加水平向集中约束， 见图6； 若围压不对称， 则施加分布的非线性约束。

图6 混凝土栈桥体系的平面内计算简图Fig.6 In-plane calculation model of trestle bridge

2.4 平面外计算

平面外是垂直于混凝土栈桥体系所在平面，荷载作用方向垂直水平面， 有竖向方向变形。 即栈桥体系在自重和竖向活载作用下处于偏压状态， 强度和变形应满足要求。 平面外的混凝土栈桥体系可按交叉梁体系进行计算。 围护结构和格构柱位置施加竖向约束， 见图7。

图7 混凝土栈桥体系的平面外计算简图Fig.7 Out-plane calculation model of trestle bridge

3 工程应用

龙居路站是地下三层岛式车站， 车站规模339.5m × (21.34 ～28.9) m。 基 坑 开 挖 深 度22.9m， 采用地下墙+内支撑的围护方案。 基坑上方设置沿东西向混凝土施工栈桥， 北侧宽9m，南侧宽3m， 中间设2 道南北向通道， 宽11m，栈桥板厚300mm， 栈桥梁为0.8m ×1.0m， 混凝土支撑为1.0m×1.0m。 见图8。

图8 车站主体基坑总平面图Fig.8 The site-plan of foundation pit

3.1 栈桥板

栈桥上主要活荷载为渣土车(北奔NG80B)、挖机(神钢SK260L)、 履带吊(SCC550TB)， 经试算， 栈桥板控制性荷载为履带吊， 压应力大小为68kN/m。 因此选用履带吊(60t/台)在栈桥板上进行最不利荷载布置， 并列举了3 种荷载布置情况， 见图9。 通过对此3 种荷载布置情况进行计算， 可知第3 种荷载布置栈桥板的内力最大， 见图10。

图9 栈桥板上活荷载的布置(单位： mm)Fig.9 The load of the trestle bridge panel(unit: mm)

图10 栈桥板的弯矩计算结果Fig.10 The moment of the trestle bridge panel

3.2 栈桥梁

栈桥梁的内力应按影响线方法进行求解， 但由于栈桥上活载“大”、 “多”、 “变”的特点， 求解复杂且计算量大。 通常为简化计算， 按单跨简支梁计算求解， 并分别考虑荷载最不利布置以获取弯矩、 剪力、 扭矩的最大值， 最后根据内力的最大值进行对称配筋。 根据第3.1 节可知履带吊(60t/台)为控制性荷载， 列举了履带吊与栈桥梁平行和垂直的布置情况， 见图11。 通过对此2 种荷载布置情况进行计算， 可知第1 种荷载布置栈桥梁的内力最大， 见图12。

图11 栈桥梁上活荷载的布置(单位： mm)Fig.11 The load of the trestle bridge beam(unit: mm)

图12 栈桥梁的弯矩计算结果(单位： kN·m)Fig.12 The moment of the trestle bridge beam(unit: kN·m)

3.3 混凝土支撑及围檩

根据第2 节可知混凝土支撑及围檩应进行平面内和平面外的计算， 计算结果见图13。 混凝土支撑应按纯弯和偏压两种情况进行包络配筋， 混凝土围檩轴力较小， 可按纯弯构件进行配筋。

图13 混凝土栈桥体系的计算结果Fig.13 The computed result of trestle bridge

3.4 格构柱及立柱桩

格构柱应建立整体模型进行计算， 栈桥上满铺布置控制性荷载， 格构柱与混凝土支撑及坑底为铰接约束(仅当底板较厚时可按固接考虑)，图14 为基坑开挖至坑底时格构柱的轴力计算结果。

图14 整体模型下格构柱的轴力计算结果Fig.14 The axial force of trellis-pole

由于基坑在开挖和回筑阶段， 格构柱的计算长度不断发生变化， 其承受的荷载也自上而下逐层累加。 所以格构柱应按最大轴力和最大计算长度两种工况进行压弯构件强度与稳定计算， 见图15， 图中:L为格构柱的计算长度，d为立柱桩的直径。 立柱桩按最大轴力进行单桩竖向承载力计算， 格构柱和立柱桩的计算结果见表1。

图15 格构柱的计算简图Fig.15 The calculation model of trellis-pole

表1 格构柱和立柱桩的计算结果Tab.1 The calculated result of trellis-pole and pile

3.5 数值模拟

为验证本计算方法的合理性， 选取了本工程案例的其中两跨结构， 利用有限元软件MIDAS GTS NX， 建立考虑基坑支护结构、 周围土体和栈桥体系相互作用的三维整体计算模型， 见图1，三维数值模拟的计算结果见图16。

图16 栈桥体系的三维计算结果Fig.16 The 3D analysis results of trestle bridge

通过对案例工程的三维数值分析结果和简化方法计算结果进行对比(表2)， 可知混凝土栈桥体系各构件的三维模拟值和简化方法的计算结果基本接近。

表2 计算结果对比Tab.2 The comparison of calculation results

4 结语

混凝土栈桥体系是基坑支护结构的一部分，其荷载复杂多变、 计算方法并不完善， 本文基于建筑框架结构的计算理论， 结合栈桥体系自身的特点， 给出了混凝土栈桥的简化计算方法。 该方法不仅简便、 可操作性强， 使用理正结构设计软件即可实现栈桥体系的平面内与平面外计算； 而且安全可靠， 充分考虑各类施工荷载的最不利布置和施工工况的影响下对栈桥体系中各构件进行包络配筋。 通过对案例工程进行三维数值模拟，模拟值与简化方法的计算结果基本接近， 且案例工程已施工结束， 施工过程中基坑支护结构未发生设计预警， 验证了简化方法的合理性， 为类似工程提供借鉴。