型鋼棧橋在基坑工程中的應(yīng)用的幾點(diǎn)探討

朱建輝

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

在基坑工程中，土方工程是其重要的組成部分。土方工程一般包括場(chǎng)地平整、基坑開(kāi)挖、土方裝運(yùn)、土方回填壓實(shí)等工作。基坑土方開(kāi)挖的目的是為了進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的施工。為了實(shí)現(xiàn)土方開(kāi)挖，就必須采取相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，以保證基坑及周邊環(huán)境的安全。基坑開(kāi)挖和土方裝運(yùn)往往是隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)行的。在進(jìn)行基坑的大規(guī)模開(kāi)挖時(shí)，機(jī)械化施工所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益日益凸顯。

鋼棧橋原為戰(zhàn)時(shí)的臨時(shí)行駛通道，建國(guó)后根據(jù)我國(guó)國(guó)情，參照英國(guó)公司的最新設(shè)計(jì)引入我國(guó)作為臨時(shí)施工鋼棧橋[1]。臨時(shí)施工鋼棧橋根據(jù)縱向受力構(gòu)件的不同，分為臨時(shí)施工型鋼棧橋和臨時(shí)施工貝雷架鋼棧橋。無(wú)論是哪一種形式的鋼棧橋，其都具有可分解、組裝快速的優(yōu)點(diǎn)，自身的施工周期短，造價(jià)低，可作為土方運(yùn)輸車輛和其他施工機(jī)械的垂直運(yùn)輸通道，能夠最大限度減少人工開(kāi)挖的土方量，加快土方開(kāi)挖的施工進(jìn)度，縮短土方開(kāi)挖的施工時(shí)間，達(dá)到有效控制工程成本的目的。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)棧橋的設(shè)計(jì)和施工缺少系統(tǒng)化的研究成果，大部分是建立在施工經(jīng)驗(yàn)上的一些數(shù)據(jù)。即便是參考文獻(xiàn)，涉及研究的也較少，沒(méi)有相關(guān)的國(guó)家規(guī)范，很多是通過(guò)類似工程來(lái)確定設(shè)計(jì)和施工方案。

本文將采用有限元分析并結(jié)合工程實(shí)際，論述臨時(shí)施工型鋼棧橋應(yīng)用在采用內(nèi)支撐支護(hù)體系的深基坑工程中時(shí)，如何進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的工程效果。

1 基坑臨時(shí)施工型鋼棧橋樁頂作用效應(yīng)的取值

土方運(yùn)輸車輛在坡道上行駛的過(guò)程中，車輛的自重和制動(dòng)力由工字鋼縱梁傳至雙拼工字鋼橫梁，如(圖1)，最后通過(guò)鋼管立柱傳至樁頂。

圖1 臨時(shí)施工型鋼棧橋樁頂荷載作用效應(yīng)

1.1 基坑臨時(shí)施工型鋼棧橋樁頂豎向作用效應(yīng)的取值

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94 －2008)[2]第5.2.1條的規(guī)定，基樁的樁頂豎向作用效應(yīng)如下所示:

式中，F(xiàn)k為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，由工字鋼縱梁傳至工字鋼橫梁頂面的豎向作用力;Gk為工字鋼橫梁的自重，應(yīng)包括鋼橫梁兩側(cè)橫向加勁肋的重量;n為鋼橫梁下立柱的數(shù)量;Nik為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合偏心豎向力作用下，第i基樁或復(fù)合基樁的豎向力;Mxk、Myk為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，作用于承臺(tái)底面，繞通過(guò)樁群形心的 x、y 主軸的力矩;xi、xj、yi、yj為第 i、j基樁或復(fù)合基樁至y、x軸的距離。

如(圖 1)所示，yi=0，Myk=0，故式(1)可簡(jiǎn)化為如下的形式，

即同一排工字鋼橫梁下的鋼管立柱基樁的樁頂豎向作用效應(yīng)相等。

1.2 基坑臨時(shí)施工型鋼棧橋樁頂水平作用效應(yīng)的取值

假設(shè)臨時(shí)施工棧橋的橋面坡度為θ，土方運(yùn)輸車輛的自重為G，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60 －2004)[3]第4.3.1 和4.3.6 條的規(guī)定，土方運(yùn)輸車輛的制動(dòng)力按同向行駛的汽車荷載(不計(jì)沖擊力)計(jì)算，因臨時(shí)施工鋼棧橋的單跨長(zhǎng)度Li＜150m，且棧橋面一般為雙向單車道或者僅為單向單車道，故土方運(yùn)輸車輛可不考慮荷載在橋面縱向的折減，且土方運(yùn)輸車輛的制動(dòng)力按[3]的第4.3.1條的規(guī)定，取車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值在加載長(zhǎng)度上計(jì)算的總重力的10%計(jì)算，且不得小于90kN。即Fz=0.10×(qk×L+Pk)≥90kN。

根據(jù)[3]的第4.3.1－4條的規(guī)定，公路Ⅰ級(jí)的車道荷載的局部荷載qk=10.5kN/m;集中荷載Pk按如下規(guī)定取值:棧橋的跨徑小于或等于5m時(shí)，Pk=180kN;棧橋的跨徑等于或大于50m時(shí)，Pk=360kN;棧橋的跨徑在5m～50m之間時(shí)，Pk值采用直線內(nèi)插求得。由于臨時(shí)施工型鋼棧橋的單跨跨徑L一般不大于12m，本文為了驗(yàn)證方法在工程中的最不利工況下也能滿足規(guī)范的要求，取L=12m，按線性插值求得Pk=208kN。根據(jù)[3]的第4.3.1－4－2條的規(guī)定，棧橋荷載按Ⅱ級(jí)車道荷載取值，即按Ⅰ級(jí)車道荷載的0.75倍采用。Fz=0.10×(qk×L+Pk)=0.10×0.75×(10.5×12+208)=25.05kN≤90kN，故取 Fz=90kN。

2 基坑臨時(shí)施工型鋼棧橋與基坑內(nèi)支撐體系的連接

2.1 基坑臨時(shí)施工型鋼棧橋與基坑內(nèi)支撐體系的連接的常規(guī)做法

基坑臨時(shí)施工型鋼棧橋與內(nèi)支撐體系的連接，一般采用在支撐梁內(nèi)預(yù)埋鋼板和直錨筋，將基坑臨時(shí)施工型鋼棧橋的縱梁和鋼板通過(guò)焊接進(jìn)行連接如(圖2)。這種常規(guī)的連接方式，通過(guò)預(yù)埋的直錨筋與混凝土支撐梁的聯(lián)結(jié)力和直錨筋端部的彎鉤來(lái)有效地傳遞水平作用，限制棧橋面的水平位移，但不能有效的承擔(dān)由土方運(yùn)輸車輛和棧橋自身傳來(lái)的豎向作用，故需要在棧橋與內(nèi)支撐梁連接的端部設(shè)置鋼管立柱，以承擔(dān)上述豎向作用。

圖2 臨時(shí)施工型鋼棧橋與內(nèi)支撐梁的連接

2.2 基坑臨時(shí)施工型鋼棧橋與基坑內(nèi)支撐體系的連接做法的改進(jìn)

常規(guī)的連接做法雖然構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳力路徑明確，但在型鋼棧橋與內(nèi)支撐的連接端部必須用鋼立柱進(jìn)行支撐，而鋼立柱須用基樁作為其基礎(chǔ)。本文結(jié)合內(nèi)支撐梁的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特點(diǎn)，對(duì)內(nèi)支撐梁和型鋼棧橋連接端部的截面進(jìn)行改進(jìn)，使型鋼棧橋與內(nèi)支撐梁端部的連接可以同時(shí)傳遞水平作用和豎向作用，而無(wú)需立柱作為其豎向傳力構(gòu)件。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了內(nèi)支撐梁的承載力，節(jié)省了一排立柱和一排基樁的工程費(fèi)用[5]，能夠達(dá)到良好的工程效果，改進(jìn)后的連接端部截面如(圖3)。

圖3 臨時(shí)施工型鋼棧橋與內(nèi)支撐梁的連接改進(jìn)

改進(jìn)后的截面類似混凝土牛腿，依靠挑出長(zhǎng)度為500mm的懸臂來(lái)承受由型鋼棧橋縱梁傳來(lái)的豎向作用力，該懸臂段沿原內(nèi)支撐CL的縱向進(jìn)行延伸，延伸范圍為型鋼棧橋橋面寬度方向兩側(cè)各1000mm。

2.3 基坑臨時(shí)施工型鋼棧橋與基坑內(nèi)支撐體系的連接截面的配筋計(jì)算

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60－2004)及業(yè)主的要求，某工程的臨時(shí)型鋼鋼棧橋需承受50kPa的豎向施工活荷載。假設(shè)與內(nèi)支撐連接的型鋼鋼棧橋的跨度L=8m，橋面寬度B=8m，則由棧橋傳至連接截面的豎向力 p=8×8×50÷2÷8=200kN/m，考慮型鋼棧橋的自重，取p=250kN/m。

2.3.1 基坑臨時(shí)施工型鋼棧橋與基坑內(nèi)支撐體系的連接截面的配筋的傳統(tǒng)計(jì)算方法

沿原內(nèi)支撐CL取單位縱向長(zhǎng)度作為計(jì)算截面的配筋截面，則該截面的平面尺寸及受力情況如(圖4)。

圖4 臨時(shí)施工型鋼棧橋與內(nèi)支撐梁的連接截面的配筋計(jì)算簡(jiǎn)圖

利用理正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具箱軟件7.0版進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如(圖5)，其中剪力V滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010 －2010)[4]第 6.3.7 條的規(guī)定，即，其中 V=250kN，αcvftbh0=0.7 ×1.71 ×1000 ×765=915.71kN，0.05Np0=0，故截面箍筋按構(gòu)造要求進(jìn)行配置。該截面的實(shí)際配筋如(圖3)。

圖5 臨時(shí)施工型鋼棧橋與內(nèi)支撐梁的連接截面的配筋計(jì)算結(jié)果

2.3.2 基坑臨時(shí)施工型鋼棧橋與基坑內(nèi)支撐體系的連接截面配筋的有限元分析

根據(jù)傳統(tǒng)計(jì)算方法的配筋計(jì)算結(jié)果，采用ANSYS對(duì)構(gòu)件進(jìn)行建模分析。該梁長(zhǎng)度L=10m，采用對(duì)稱式建模，取L=5m，并在對(duì)稱面施加對(duì)稱面約束?；炷梁弯摻畹慕M合方式采用離散式，對(duì)混凝土采用SOLID65單元進(jìn)行模擬，對(duì)鋼筋采用LIKE8單元進(jìn)行模擬[6]，[7]。離散鋼筋的 LIKE8 單元和混凝土單元SOLID65共用節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)整體工作過(guò)程中自由度的耦合。建立完成的模型如(圖6)。其中鋼筋排布如(圖7)。

圖6 臨時(shí)施工型鋼棧橋與內(nèi)支撐梁的連接截面的離散式鋼筋混凝土模型

采用ANSYS的非線性分析功能，對(duì)模型進(jìn)行受力分析，得到收斂的工程解，收斂誤差設(shè)置為5%[6]。

模型采用傳統(tǒng)分析的配筋結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，得到梁的撓度值沿梁縱軸的分布如(圖8)。從圖中可知模型的跨中最大撓度f(wàn)max=2.86mm。模型的裂縫計(jì)算結(jié)果如(圖9)，從圖中可知截面的裂縫在端部和跨中的中性軸以下沿豎向分布開(kāi)展，在截面懸挑處，沿梁縱向軸線分布。

圖7 臨時(shí)施工型鋼棧橋與內(nèi)支撐梁的連接截面的鋼筋排布

圖8 臨時(shí)施工型鋼棧橋與內(nèi)支撐梁的連接截面的撓度

圖9 臨時(shí)施工型鋼棧橋與內(nèi)支撐梁的連接截面的裂縫開(kāi)展

根據(jù)國(guó)家規(guī)范的要求，構(gòu)件的截面應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)材料的極限承載力。通過(guò)ANSYS的通用后處理器查看混凝土的應(yīng)力，得到混凝土的應(yīng)力分布如(圖10)。從圖中可知，混凝土的最大壓應(yīng)力為18.49N/mm2，最大拉應(yīng)力為7.69 N/mm2。該截面采用C40混凝土，混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為19.1 N/mm2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.71 N/mm2。對(duì)比圖示的應(yīng)力分布，可知該構(gòu)件全截面的壓應(yīng)力均不大于混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，拉應(yīng)力在局部超過(guò)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，將產(chǎn)生裂縫，失去抗拉能力。但混凝土拉應(yīng)力超過(guò)規(guī)范要求的范圍很小，且在鋼筋混凝土構(gòu)件中，計(jì)算時(shí)是不考慮混凝土的受拉承載力的，故該結(jié)果滿足規(guī)范的要求。

圖10 臨時(shí)施工型鋼棧橋與內(nèi)支撐梁的連接截面的混凝土應(yīng)力分布

通過(guò)ANSYS的通用后處理器查看鋼筋的軸向應(yīng)力，建立鋼筋軸向應(yīng)力的輸出表格，并按應(yīng)力絕對(duì)值的大小降序排列[8]，得到的結(jié)果如(圖11)。從該列表可知，鋼筋的最大拉應(yīng)力為315.23N/mm2，最大壓應(yīng)力為314.22 N/mm2，未超過(guò)規(guī)范規(guī)定的鋼筋抗拉和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值360 N/mm2，故滿足規(guī)范的要求。

圖11 臨時(shí)施工型鋼棧橋與內(nèi)支撐梁的連接截面的鋼筋應(yīng)力的降序排列

2.4 基坑臨時(shí)施工型鋼棧橋與基坑內(nèi)支撐體系的連接采用改進(jìn)做法的工程實(shí)例

某工程采用SMW工法樁+二道鋼筋砼內(nèi)支撐的基坑支護(hù)體系，為加快土方運(yùn)輸需搭建臨時(shí)施工型鋼棧橋。該棧橋的垂直運(yùn)輸高度為5.5m，行車中線的水平投影長(zhǎng)度為46.4m，臨時(shí)施工型鋼棧橋與內(nèi)支撐梁的連接截面采用本文提到的改進(jìn)方法進(jìn)行計(jì)算和截面施工，如(圖12)。從圖中可知，截面的裂縫開(kāi)展與有限元計(jì)算的結(jié)果相符，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和監(jiān)測(cè)，截面未出現(xiàn)破壞和過(guò)大變形，與計(jì)算結(jié)果相一致。故采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，能夠符合國(guó)家規(guī)范的要求，并滿足工程實(shí)際的要求。

圖12 臨時(shí)施工型鋼棧橋與內(nèi)支撐梁的連接截面的改進(jìn)做法的工程實(shí)例

3 結(jié)論

在采用內(nèi)支撐支護(hù)體系的深基坑工程中，為了提高土方開(kāi)挖的效率，常架設(shè)臨時(shí)施工鋼棧橋。臨時(shí)施工鋼棧橋的立柱樁基礎(chǔ)應(yīng)考慮由土方車和棧橋自重產(chǎn)生的豎向作用和水平作用，其中豎向作用Nk=，水平作用F=0.10×(q×L+P)。為了充分發(fā)揮內(nèi)支撐梁的承載力并節(jié)約鋼棧橋的工程造價(jià)，對(duì)臨時(shí)施工型鋼棧橋與內(nèi)支撐梁的連接截面進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過(guò)有限元分析和實(shí)際工程的驗(yàn)證，對(duì)該連接截面沿原內(nèi)支撐CL取單位縱向長(zhǎng)度作為計(jì)算截面并采用傳統(tǒng)計(jì)算方法進(jìn)行配筋計(jì)算，能夠滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范和工程實(shí)際的要求。

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