局部逆作法施工的支撑体系设计与轴力监测

高德元 杨皓东， 李茂友 涂刚要

(1.安徽建筑大学土木工程学院 安徽合肥 230601； 2.合肥建工集团有限公司 安徽合肥 230088)

0 引言

随着现代社会的快速发展，建筑工程的工期和资源控制要求越来越高，逆作法施工技术以其缩短工期、节约成本等优点得到越来越广泛的应用[1-2]。在逆作法施工中，竖向支撑柱、灌注桩和水平钢支撑是竖向支撑体系和水平支撑体系的重要组成部分，其构造往往会影响施工的安全、质量及经济性等要素。

本文以某工程局部逆作法施工为例，对支撑体系结构进行计算和轴力监测，确保工程安全，并为类似工程提供参考。

1 工程概况

合肥某建筑工程地下2层，地上4层，东临34层住宅小区，小区距离基坑最近距离仅为8.8m，施工场地狭小，故采取局部逆作法施工。逆作法区域面积约4000 m2，采用“一桩一柱”工艺施工竖向支撑柱和灌注桩，竖向支撑柱采用格构柱，既是临时支撑，又作为地下室永久框架柱的钢骨。在基坑支护桩和主体结构之间设置水平钢支撑作为先期地下结构，有效形成逆作法完整的水平传力体系，如图1所示。

图1 竖向支撑格构柱和水平钢支撑

2 竖向支撑格构柱施工阶段的设计

2.1 计算模型

在设计竖向支撑柱之前，首先确定单柱的负载面积，在每个方向取左右相邻柱子间距的平均值，根据工程实际得出边长均为9 m,负载面积为81 m2。格构柱简化为一端铰接、一端固接的轴心受压构件进行计算，计算模型如图2所示。

图2 竖向支撑格构柱计算模型

2.2 最不利工况的确定和荷载计算

该工程有两个不利工况，如图3所示，最不利工况，一为基坑开挖至负二层顶板下1.5 m处，此时地上施工至一层；二为基坑开挖至坑底、底板施工完毕前，此时地上施工至二层。

图3 最不利工况一(左)和最不利工况二(右)示意图

单柱在最不利工况一时承受的上部荷载为：①地上一层结构总重(361.2 kN)和地上一层结构梁板的施工荷载(按2 kPa考虑)；②地下室首层结构梁板自重(410.4 kN)和地下室顶板施工机械、人员荷载等效施工均布活荷载为2.5 t/m2)；③地下一层结构顶板自重(410.4 kN)和地下一层顶板的施工荷载(按2 kPa考虑)。根据荷载规范要求考虑恒、活荷载的分项系数、脚手架的重量，经过荷载组合后，计算得出单柱的集中荷载为5092 kN，即在最不利工况一下单柱需承受的最大轴力值。

同理，计算得出最不利工况二时单柱需承受的最大轴力值为5383 kN。

2.3 计算长度的确定

已完成的最下层地下水平结构至挖土面的距离H取3.65 m(负二层净高和负二层底板高度之和)，一端固定一端铰支的计算长度系数取0.7，此时竖向支撑柱的计算长度lo=0.7 m×3.65 m=2.56 m。

2.4 截面尺寸的选取

上文计算得出的5383 kN，是最不利工况下的最大轴力值，考虑施工的实际情况，将轴心压力设计值放大到6000 kN，采用Q355钢材，格构柱边长初定为b×b=500 mm×500 mm，如图4所示。

图4 格构柱截面图

2.5 缀板设计

2.6 缀板强度验算

根据《钢结构设计原理》[6]，缀板剪力：

2.7 整体稳定性验算

式中，Ix为x轴截面惯性矩，A0为单角钢截面面积，b为格构柱边长。经计算，格构柱的主肢长细比λ=3.46,格构柱分肢对最小刚度轴1-1的长细比λ1=10.18。

2.8 插入长度验算

式中，l为插入立柱桩的长度，根据工程实际情况取4000 mm，K为安全系数，fc为混凝土的轴心抗压强度设计值，L为立柱断面的周长，σ为粘结设计强度，如无试验数据，可近似取混凝土的抗拉设计值ft。

2.9 其他构造措施

为保证格构柱的临时稳定，在格构柱施工结束后，往里面填充C15混凝土，待基坑开挖时，再将其掏空，后期浇筑混凝土形成永久地下室框架柱。永久框架柱未浇筑时，要考虑梁柱节点处竖向力的传递，故在格构柱上设置栓钉。格构柱钢板影响梁纵筋贯通，为使梁柱节点处的钢筋全部穿过格构柱，在梁节点处加腋处理。

3 立柱桩的设计

在逆作施工时，底板浇筑之前，结构自重、施工荷载均由格构柱承担，格构柱再将荷载传递给灌注桩。由上文可知，格构柱承受的最大轴力值为5383 kN，再根据地勘报告地基设计参数，建议值初选长25 m、直径1000 mm的钻孔灌注桩。

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)[7]，单桩的竖向极限承载力计算公式:

Quk=Qsk+Qpk=u∑ψsiqsikli+ψpqpkAp

式中，Qsk为总极限侧力阻标准值；Qpk为总极限端阻力标准值；qsik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值；qpk为桩径为1000 mm的极限端阻力标准值；ψsi、ψp为大直径桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数；u，根据地勘报告基础设计参数建议值确定为桩身周长，取3.14 m；Ap为桩端面积，取0.875 m2。

经过计算，单桩的竖向极限承载力Quk=11 167 kN。

考虑安全系数后，单桩的竖向承载力特征值Ra=5584 kN，满足要求。

4 水平钢支撑的设计

逆作法施工期间，为了将支护桩承受的水平荷载传递到主体结构，形成完整可靠的水平传力体系，遂在支护桩和主体结构之间设置H型钢作为水平支撑，待地下室土方回填后割除超出部分，剩余部分埋入钢筋混凝土中。水平钢支撑施工图如图5所示。

图5 水平钢支撑施工图

4.1 计算模型

取单根钢支撑作为研究对象，支撑的一端与主体结构的支撑柱浇筑在一起，形成刚性接头；另一端通过预埋件钢板连接后与围檩浇筑在一起，也形成刚性接头。故水平支撑的计算模型可以简化为固支梁模型，基坑侧向土压力简化为轴心压力。考虑施工缝的布置及施工最不利的情况，将计算长度设为4.5m，计算模型如图6所示。

图6 水平钢支撑计算模型

4.2 截面尺寸的选取

该工程H型钢初选截面尺寸400×400×13×21 mm，翼缘厚度tf=21 mm>16 mm,采用Q355钢材，钢材的抗压强度设计值f=295 N/mm2，截面面积A=214.54 cm2,回转半径ix=17.45cm，回转半径iy=10.22 cm。

4.3 水平钢支撑内力计算

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)[8]，水平钢支撑对排桩的作用力，可按下式计算得出:

Fh=kR(vR-vR0)

式中，Fh为挡土构件计算宽度内的弹性支点水平反力；kR为计算宽度内的弹性支点刚度系数；vR为挡土构件在支点处的水平位移值。vR0为设置支点时，支点的初始水平位移值，取0；λ为支撑不动点调整系数，取0.8；αR为支撑松弛系数，取0.8；E为支撑材料的弹性模量，取2.06×105kPa；ba为结构计算宽度，取0.4 m，l0为受压支撑构件的长度，取4.5 m；s为支撑的水平间距，取4.5 m。

运用理正深基坑7.0软件对该工程基坑进行建模分析，该基坑采用三排桩支护结构，软件简化为双排桩支护结构，得出水平钢支撑支点处在基坑开挖到底时的最大位移值为11.28 mm。代入上式，可得出钢支撑承受的最大支撑轴力为1773 kN。再根据规范在此基础上乘以系数1.37，得到钢支撑的轴力设计值2437 kN。

4.4 截面验算

根据《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)[4]对水平钢支撑进行截面验算。

4.5 整体稳定性验算

4.6 其他构造措施

为减小水平钢支撑长度，提升支撑效果，水平钢支撑浇筑混凝土时，将其施工缝位置留在距后施工地下室外墙不大于500 mm处。同时，在水平钢支撑上焊接栓钉，加强水平钢支撑与混凝土的连接强度，提高水平钢支撑的整体受力性能。

5 水平钢支撑轴力的施工监测

为确保在施工时能够及时发现土体、围护结构发生的异常，有针对性调整施工方案。该工程在土体结构施工以及基坑开挖阶段，对水平钢支撑进行轴力监测。水平钢支撑的轴力监测，选用应变计附着在首层四道钢支撑上，实时监测支撑轴力的变化，监测数据如图7和表2所示。

图7 水平钢支撑轴力变化图

表2 水平钢支撑荷载监测结果 kN

从监测数据可以看出，支撑轴力有两个峰值点，分别对应地下一层和地下二层土方开挖时的工况。开挖地下二层时的支撑轴力大于开挖地下一层时的支撑轴力，且均小于水平钢支撑的设计值。4种工况下监测的荷载平均值均小于1000 kN。在十月份地下二层底板施工后，支撑轴力开始下降，并且稳定在500 kN左右，四道支撑轴力的变化基本趋于一致，表明基坑结构稳定，水平钢支撑有效发挥作用，充分说明水平钢支撑布置合理、设计安全。

6 结论

(1)在逆作法采用格构柱作为竖向支撑柱的情况下，设计时应该充分考虑缀板的稳定性。缀板的间距直接影响格构柱的整体稳定和分肢稳定，间距过小用钢量增加，间距过大则有安全隐患。

(2)该工程格构柱插入灌注桩的深度远大于验算插入深度。类似的工程在设计插入长度时，要遵循规范，且应具体情况具体考虑，可适当地缩短插入长度。桩端阻力是不可忽视的一部分承载力。在计算灌注桩竖向承载力时，要考虑桩端阻力和桩侧阻力的合力作用。

(3)水平钢支撑作为逆作法水平支撑系统的重要组成部分,在设计时,可将复杂的空间问题简化为二维平面问题。支撑轴力有两个峰值点，分别对应地下一层和地下二层土方开挖时的工况，且开挖地下二层时的支撑轴力大于开挖地下一层时的支撑轴力。施工时应该重点保证这两个工况的施工安全。