超高无内支撑侧壁的设计方法研究及应用

陈林 刘春艳

0 引言

传统侧壁通常设计成连续梁模型，下端固结，上端铰接，并将各层楼板视为侧壁水平支点，此方法计算简便可靠。但当地下室各楼层大面积开洞造成侧壁无水平支撑时，采用此方法计算侧壁其经济性已不适用。本文以某一实际工程为例，探讨采用灌注桩协调扶壁柱解决超高无内支撑侧壁的设计方案，即通过扶壁柱使侧壁单向导荷，并采用灌注桩抵抗扶壁柱超大弯矩，最后设置钢筋混凝土斜撑协调底板及扶壁柱解决深基坑换撑的方案，施工周期、经济性等各项技术指标明显提高。

1 工程概况

拟研究对象为某研究院研发大楼，总建筑面积约40 000m，地上7层，地下3层，局部4层。地上建筑主要功能为厂房车间（丙类厂房），地下建筑主要功能为机动停车库，部分功能为车间及设备房。采用框架结构体系。如图1 所示，由于地下室设置大型风洞实验室，造成地下室三层通高无楼板，地下室开洞造成侧壁无支长度达到16.1m，为侧壁设计带来一定难度。本文通过对比分析超高无内支撑侧壁设计方法及由此带来的基坑支护问题，为类似工程提供参考。

图1 地下室平面图及剖面图

2 侧壁设计方案

2.1 常规设计方案

按常规方法设计侧壁，首层楼板及底板提供对侧壁水平支撑（底板嵌固、首层铰接），按规范计算侧壁约取1.2m 厚度，且裂缝很难控制。计算模型及结果如图2 所示。

图2 常规方法计算侧壁模型及内力

按常规方案计算侧壁底部弯矩较大，在控制裂缝宽度基础上含钢量较大，且钢筋较密，无论从经济上还是施工便利性上都不是最优选择。

2.2 本文提出优化方案

以最优传力路径为出发点，提出采用超大扶壁柱及薄侧壁形式进行研究，侧壁及扶壁柱组成T 型截面，受力性能较佳，由于扶壁柱刚度远远大于侧壁抗弯刚度，土压力及水压力通过侧壁传力至扶壁柱。由于内力集中在扶壁柱，扶壁柱底部产生较大弯矩，单靠底板无法抵抗此内力，故提出可通过设置双桩抵抗扶壁柱底部弯矩，具体提出计算模型如图3 所示，通过设置扶壁柱，超高无支撑侧壁及扶壁柱组成共同受力构件，首层板及底板约束其平面内水平变形，通过承台设置双灌注桩承担扶壁柱底板超大弯矩，双桩与承台铰接，桩仅约束其竖向变形，使其仅承受轴向力（压力或拔力）。

图3 本文方法计算模型示意图

提出超长侧壁计算模型可按如下步骤简化进行：（1）通过水压力及土压力导算荷载扶壁柱，侧壁按单向导荷至扶壁柱（故侧壁可按单向板进行计算配筋）；（2）根据图3 约束条件按单跨单独计算扶壁柱截面及配筋等（可按上端单向固定铰支座，下端固结进行计算），根据计算结果可对扶壁柱进行截面变化及配筋；（3）根据扶壁柱端部弯矩（传至过渡承台水平力由底板承担）可计算承台截面配筋及桩拉压力大小，进而设计抗压桩及抗拔桩。

图4 为扶壁柱及侧壁平面图，扶壁柱与相关范围内侧壁形成计算单元（T 型截面），沿高度范围内可根据计算结果改变截面大小及配筋数量。经计算，扶壁柱采用600mm×2800mm、侧壁采用300mm～400mm、灌注桩采用φ1 000mm 可解决此问题。

图4 扶壁柱设置平面图

利用灌注桩协调扶壁柱解决超高无内支撑侧壁的设计方法应用此项目取得了良好的效果，大大减少了侧壁厚度，减少施工难度，综合效益较高。

3 换撑方案研究

由于地下室侧壁通高且地下室楼板大面积开洞，对基坑进行换撑带来了挑战，需综合考虑现场实际情况及可利用结构进行协同换撑。

本项目由于地下室通高无楼板，无法对基坑支护第二道撑提供换撑支撑，提出利用底板及扶壁柱进行换撑。

图5 所示为利用扶壁柱及底板换撑示意图，施工顺序为：（1）待第二道支撑强度达到设计强度80%后，开挖至设计坑底标高，及时施工垫层，按顺序施工地下室底板、外墙及扶壁柱；（2）在底板上施工，如图6 所示，混凝土反撑杆支座，在支护桩及扶壁柱间施工腰梁、架设图5 中反撑杆；（3）待侧墙、扶壁柱达到设计强度80%后，拆除第二道支撑及其腰梁；（4）继续向上施工地下室外墙及扶壁柱直至完成地下室顶板主次梁及部分楼板；（5）待顶板主次梁达到设计强度80%后，拆除反撑杆及第一道支撑；（6）完成地下室主体结构。需要注意的是，在整个施工工序中，由于利用了扶壁柱，需复核扶壁柱的受力情况，当拆除第二道撑时，扶壁柱受力情况如图5 所示，经复核，施工过程中扶壁柱满足受力要求。

图5 利用扶壁柱及底板换撑示意图

图6 反撑杆支座示意图

在基坑设计时，通过与主体结构有机结合及协同设计，合理选择受力体系，不仅节省施工工期，而且具有良好的经济效益，可为类似项目提供参考。

4 有限元分析

由于扶壁柱及底板为永久性构件，为了解扶壁柱体系、底板与换撑杆节点的受力性能及裂缝发展情况，对其进行有限元分析。混凝土本构关系采用Hognestad 建议公式表达应力—应变关系，屈服准则采用Mises 准则。混凝土的等效应力—应变曲线在上升段取5 个点，下降段取2 个点，屈服压应变取0.002，极限压应变取0.0038，泊松比=0.2。混凝土采用ANSYS 中提供的Solid65 单元进行模拟。节点模型的有限元网格采用映射网格划分，网格划分的大小依据混凝土单元尺寸不宜小于50mm 的建议（本文取100mm）。

4.1 扶壁柱体系有限元分析

4.1.1 有限元模型及裂缝发展图

为提高计算效率，桩根据刚度等效原则简化为矩形桩。划分网格后的有限元模型如图7（a）所示。

图7 扶壁柱体系有限元模型及发展图

图7（b）所示计算模型的裂缝发展情况，在实际荷载作用下，模型底部承台显示有裂缝出现，在实际设计中，二桩承台应加强承台箍筋配置。在实际荷载作用下其余位置未见裂缝发展。

4.1.2 有限元计算结果

图8 为计算模型第一及第三主应力图，可看出扶壁柱体系在土压力及水压力作用下应力分布。扶壁柱体系的拉应力水平较小（最大1.29MPa），不超过混凝土（C35）抗拉强度标准值，其应力分布结果与上端固定、下端固结连续梁假定一致。在实际设计中可单独将扶壁柱视为一连续梁构件进行简化计算，也可不考虑侧壁对扶壁柱刚度的贡献，但在实际设计中应对侧壁纵筋进行适当加强；对于过渡承台，其内部应力数值较小，但应注意扶壁柱对其局部压力，尤其注意T 型端部对承台悬挑段的劈裂作用；对于双桩，其只承受拉压力作用，在实际设计中可根据扶壁柱端部弯矩计算桩拉压力。综上，扶壁柱体系受力合理，能够协同工作，在设计荷载作用下能满足要求。

图8 扶壁柱体系应力图

4.2 底板与换撑连接节点有限元分析

4.2.1 有限元模型

由于节点形态比较复杂，导致节点网格划分不规则，为了能使其进行映射网格划分，需对节点进行工作面切分。依照节点的形状对底板及换撑杆进行工作面切分，切分完毕后再进行合并节点操作。划分网格后模型如图9 所示。

图9 节点有限元模型

4.2.2 有限元分析结果

由图10 可以看出，节点受压时最大应力约9MPa，小于混凝土抗压强度，受拉应力最大约为1.9MPa，小于混凝土抗拉强度设计标准值。最大压应力出现在撑杆与底板连接凹角处，在实际设计中，底板此位置设置钢筋网片，以避免出现裂缝。可见，节点工作性能良好，受力性能满足要求。

图10 节点应力图

5 结论

本项目根据场地限制及16.1m 深基坑条件，利用灌注桩协调扶壁柱解决超高无支撑侧壁的设计，并采用钢筋混凝土斜撑协调底板及扶壁柱进行换撑的方案，得出结论如下：

（1）利用灌注桩协调扶壁柱解决超高无支撑侧壁的设计方案可行。能大大减少侧壁厚度和提高施工便利性，且将底部弯矩转换为桩的拉力和压力大大减少侧壁和底板的配筋。

（2）采用钢筋混凝土斜撑协调底板及扶壁柱解决深基坑换撑方案可行，换撑结构受力清晰，能充分利用主体结构进行协同工作。

（3）通过有限元分析可知，扶壁柱体系及换撑节点受力可靠，应力水平及裂缝发展均满足正常使用要求，局部应力集中位置可通过构造措施进行加强。