半逆作法地下連續(xù)墻組合支護(hù)中立柱的設(shè)計(jì)

何 亮

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024; 2.太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

半逆作法地下連續(xù)墻組合支護(hù)中立柱的設(shè)計(jì)

何 亮1，2

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024; 2.太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

對(duì)半逆作法地下連續(xù)墻組合支護(hù)中立柱的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，指出其應(yīng)綜合建筑功能需求、施工工藝水平、支撐承重和差異變形、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)滿足作為永久構(gòu)件的結(jié)構(gòu)與抗震設(shè)計(jì)。

半逆作法，地下連續(xù)墻，立柱，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

半逆作法地下連續(xù)墻組合支護(hù)是指由滿足支擋及截水要求并作為地下建(構(gòu))筑物外圍護(hù)墻的地下連續(xù)墻與兼作支撐的部分主體結(jié)構(gòu)組成，先行實(shí)施豎向結(jié)構(gòu)(地下連續(xù)墻及立柱)，按照從基坑頂部向基坑底部的實(shí)施順序，依次將水平支撐結(jié)構(gòu)與豎向支撐結(jié)構(gòu)連接，形成完整安全有效的支撐系統(tǒng)的深基坑工程。

對(duì)于半逆作法地下連續(xù)墻組合支護(hù)的基坑工程其立柱的選型與建筑功能需求、施工工藝水平、支撐承受荷載和差異變形、主體結(jié)構(gòu)永久使用設(shè)計(jì)等因素密切相關(guān)。

目前山西利用該方法實(shí)施的基坑工程有：太原親賢北街梅園中心停車庫(kù)(鋼筋混凝土立柱)，山西煤炭中心醫(yī)院綜合樓(鋼管混凝土立柱)，山西萬豪廣場(chǎng)(型鋼格構(gòu)立柱)，太原紅星美凱龍家居生活廣場(chǎng)(抱插型鋼+鋼管混凝土立柱)等。

1 半逆作法地下連續(xù)墻組合支護(hù)中立柱的選型

作為半逆作法地下連續(xù)墻組合支護(hù)的基坑工程，其立柱的形式多為以下幾種：

1)鋼筋混凝土立柱。

立柱為與立柱樁等徑的鋼筋混凝土圓柱。其基底以下為鋼筋混凝土灌注樁，基底以上為內(nèi)支撐立柱。其設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧(一柱一樁)樁基承載力、支撐立柱承載力、立柱與水平梁節(jié)點(diǎn)的承載力以及將來作為主體結(jié)構(gòu)柱的抗震設(shè)計(jì)。這種形式的立柱與水平支撐(或基礎(chǔ))的連接一般采用預(yù)埋柱帽鋼筋、水平鋼套環(huán)等方式。逆作施工時(shí)剔鑿量及難度均較大，梁柱連接處的界面處理技術(shù)質(zhì)量要求較高。但對(duì)于初次接觸逆作施工的總包單位來講該方法較容易掌握。

2)型鋼格構(gòu)立柱。

一般采用型鋼(角鋼)+綴板的鋼格構(gòu)組合方式，截面邊長(zhǎng)介于420～480，角鋼一般采用4L160或4L180，材質(zhì)多為Q235B或Q345B。其插入立柱樁(鋼筋混凝土灌注樁)的深度一般為開挖面以下大于立柱邊長(zhǎng)的4倍(一般取2 m～3 m)。該類型便于與水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接，也易于后期外扎鋼筋籠回灌混凝土修成主體結(jié)構(gòu)柱。節(jié)點(diǎn)連接方式成熟。

3)鋼管混凝土立柱。

采用圓形或矩形鋼管混凝土立柱，多數(shù)用于逆作區(qū)域存在主樓(高層或超高層)結(jié)構(gòu)柱或施工荷載較大、支撐道數(shù)較多的基坑工程。此種截面類型的立柱與水平梁板的連接一般采用鋼結(jié)構(gòu)環(huán)狀牛腿或鋼筋混凝土環(huán)梁。連接方式成熟，工藝技術(shù)要求相對(duì)較高。

4)型鋼組合立柱。

作為與立柱樁同時(shí)打入時(shí)一般采用滿足支護(hù)階段受力的鋼管混凝土截面或十字型鋼截面，由于在主體受力階段需滿足上部結(jié)構(gòu)鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)中芯柱的設(shè)計(jì)截面，需采取另外抱插、貼焊等二次組合的立柱截面類型，常見為鋼管混凝土與十字T型截面的組合、外套主體結(jié)構(gòu)大截面鋼管與先期鋼管混凝土立柱的組合等。

2 逆作法地下連續(xù)墻組合支護(hù)中立柱的分析與計(jì)算

立柱包括立柱(開挖面以上)和立柱樁(開挖面以下)。半逆作法地下連續(xù)墻組合支護(hù)的立柱與主體結(jié)構(gòu)柱相結(jié)合的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合以下幾方面：

1)應(yīng)符合主體建筑使用功能的需求，立柱的截面及外包鋼筋籠形成主體柱的截面不應(yīng)影響建筑平面布置；當(dāng)因受力導(dǎo)致截面較大時(shí)，應(yīng)增加臨時(shí)立柱分?jǐn)偸芎伞?/p>

2)立柱所受荷載應(yīng)包括：支擋結(jié)構(gòu)傳來的荷載、地下結(jié)構(gòu)施工時(shí)的結(jié)構(gòu)自重及施工荷載、地下地上同時(shí)施工的應(yīng)考慮所允許的地上結(jié)構(gòu)的自重及施工荷載、施工棧橋上的運(yùn)輸荷載和堆載。

3)立柱(樁)的布置應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)工程樁的布置相協(xié)調(diào)，二者的平面位置應(yīng)盡可能共用，并應(yīng)滿足主體結(jié)構(gòu)對(duì)其承載力的要求。一般采用一柱一樁的布置方式。當(dāng)單根立柱(樁)不能滿足基坑工程施工階段的受力與變形要求時(shí)，應(yīng)在該立柱(樁)附近增設(shè)臨時(shí)立柱(樁)。

4)根據(jù)基坑工程施工階段受力以及主體結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求，立柱可采用前述幾種形式。立柱樁一般采用灌注樁。

5)立柱應(yīng)按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行受力和變形計(jì)算與驗(yàn)算，立柱樁應(yīng)進(jìn)行單樁豎向承載力與沉降變形的計(jì)算和驗(yàn)算。兼做主體結(jié)構(gòu)的立柱(樁)的設(shè)計(jì)還應(yīng)滿足現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

6)立柱與水平支撐結(jié)構(gòu)的連接，應(yīng)設(shè)計(jì)有抗剪鋼筋、栓釘或鋼牛腿等便于施工的有效抗剪構(gòu)造。

立柱由于前后經(jīng)歷基坑支護(hù)承載力極限狀態(tài)和主體結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將上述兩種狀態(tài)的受力分析進(jìn)行統(tǒng)一歸并和包絡(luò)設(shè)計(jì)。

兼作主體結(jié)構(gòu)的立柱，應(yīng)考慮垂直度允許額垂直度偏差對(duì)豎向荷載偏心的影響，并按雙向偏心受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)。當(dāng)水平內(nèi)支撐體系同時(shí)為結(jié)構(gòu)水平梁板時(shí)，可假定其平面內(nèi)剛度無限大，立柱無水平位移。

基坑工程實(shí)施過程中，豎向支撐(立柱與地下連續(xù)墻)與水平內(nèi)支撐共同組成的空間結(jié)構(gòu)體系，承受各工況土水的作用及施工荷載。立柱水平位移由兩部分組成：一部分由土水作用下支擋體系的變形；另一部分是剛體位移，即在基坑工程實(shí)施過程中，基坑側(cè)壁上荷載隨施工工況發(fā)生的。剛體位移導(dǎo)致基坑側(cè)壁內(nèi)力重分布。因此在考慮剛體位移時(shí)一般采用有限元建模，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算，但計(jì)算出來的結(jié)果往往容易出現(xiàn)異常，實(shí)施前應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)核。建議結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)比計(jì)算分析。在不考慮剛體位移時(shí)，可采用簡(jiǎn)化計(jì)算。目前用于基坑整體設(shè)計(jì)的軟件較多，須結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定合理計(jì)算參數(shù)，著重分析和判斷軟件結(jié)果輸出的合理性，萬不可機(jī)械套用軟件結(jié)果設(shè)計(jì)。

對(duì)于支撐道數(shù)較少或受力較小的立柱一般可采用型鋼格構(gòu)立柱，其截面受壓承載力可參照現(xiàn)行GB 50017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范按照兩端簡(jiǎn)支的雙向偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，計(jì)算中偏心值按照計(jì)算長(zhǎng)度范圍內(nèi)1/200偏心量取用。其常用規(guī)格和承載力可參閱晉14G03建筑基坑支護(hù)構(gòu)造詳圖相應(yīng)表格進(jìn)行選用。

對(duì)于多道支撐且施工荷載復(fù)雜的立柱建議采用鋼管混凝土立柱或型鋼組合立柱。其截面受壓承載力可參照現(xiàn)行GB 50010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行估算和計(jì)算。

無論采用何種形式的立柱，其與水平構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)須進(jìn)行詳細(xì)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，尤其對(duì)于施工棧橋和堆載較大的結(jié)構(gòu)板與型鋼格構(gòu)立柱連接處須另設(shè)抗剪托板。

立柱樁的樁端持力層的選擇較計(jì)算控制更注重的是概念設(shè)計(jì)。樁端持力層不僅制約樁端阻力而且影響側(cè)阻力的發(fā)揮。事實(shí)上，選擇壓縮性較低的樁端持力層并采取后注漿工藝，立柱樁增強(qiáng)效果相當(dāng)明顯。對(duì)于立柱樁，除滿足前述兩種狀態(tài)的受力，更重要的是始終保持原有的設(shè)計(jì)計(jì)算假定與實(shí)際受力模型的統(tǒng)一。而要保持這種統(tǒng)一必須滿足立柱(樁)與地下連續(xù)墻的變形協(xié)調(diào)，也就是二者不可產(chǎn)生較大的差異沉降，其值限制在1/400柱距以內(nèi)，并不超過20 mm。

3 半逆作法地下連續(xù)墻組合支護(hù)中立柱的施工及連接設(shè)計(jì)

立柱樁一般采用鋼筋混凝土灌注樁。立柱吊放與安裝應(yīng)通過有效機(jī)械裝置保證平面定位和垂直度(帶有定位系統(tǒng)的長(zhǎng)距固定送樁鋼支架，可有效避免樁體在安放和重力澆灌混凝土?xí)r立柱的跑位，并應(yīng)按要求延長(zhǎng)固定時(shí)間)。對(duì)型鋼格構(gòu)立柱、矩形鋼管混凝土立柱尚應(yīng)同時(shí)控制轉(zhuǎn)向偏差；成樁吊放立柱過程中應(yīng)采取合理的保護(hù)措施，確保整體加工制作的抗剪件不被損傷，并確保吊放過程中，立柱的垂直度滿足設(shè)計(jì)要求；立柱與主體結(jié)構(gòu)柱共用時(shí)，平面定位的允許偏差為±10 mm之間，垂直度應(yīng)控制在1/300。

立柱樁返漿高度以上的樁孔應(yīng)采用碎石密實(shí)回填，并留設(shè)注漿管進(jìn)行注漿填充；在基坑開挖時(shí)視主體框架柱實(shí)施的順序剔除負(fù)孔灌填部分。支護(hù)工況下在滿足立柱豎向承載力的前提下，為提高格構(gòu)截面的穩(wěn)定性，負(fù)孔灌填部分可先不剔除。

基坑開挖過程中，立柱受力狀態(tài)下如需進(jìn)行焊接操作，相應(yīng)位置應(yīng)預(yù)先設(shè)置襯板進(jìn)行隔離。

對(duì)于開挖高度過大(一般凈高大于5 m)，為保證鋼格構(gòu)立柱的穩(wěn)定性，應(yīng)施加贅余約束，在不影響土方清運(yùn)的方向上布置柱間支撐，柱間支撐一般也采用型鋼。柱間支撐的拆除應(yīng)在該層立柱完成向主體結(jié)構(gòu)柱轉(zhuǎn)變的過程中具有80%強(qiáng)度后。

水平支撐(主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件)與立柱連接的設(shè)計(jì)應(yīng)按照豎向構(gòu)件為立柱和主體結(jié)構(gòu)柱兩種狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的受力分析和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，有抗震設(shè)計(jì)要求的，尚應(yīng)滿足現(xiàn)行GB 50011建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定。梁柱節(jié)點(diǎn)處的相應(yīng)的錨固長(zhǎng)度起算位置也應(yīng)依據(jù)上述兩種狀態(tài)，在設(shè)計(jì)文件中予以明確。

一般工程采用的是角鋼格構(gòu)立柱，例如太原中醫(yī)醫(yī)院、山西亞泰圣景科貿(mào)廣場(chǎng)、國(guó)網(wǎng)山西電力太原供電地下車庫(kù)等，這樣的立柱便于后期外包鋼筋籠的穿越及混凝土的澆筑，水平框架梁鋼筋也比較容易穿過，對(duì)于個(gè)別鋼筋穿越是確實(shí)無法避免的綴板，經(jīng)驗(yàn)算或采取其他加固措施后可以板上開洞或切掉部分綴板。

對(duì)于立柱采用鋼筋混凝土、鋼管混凝土、型鋼組合立柱的梁柱連接一般采用預(yù)置柱帽留筋、預(yù)埋鋼套環(huán)、鋼筋混凝土環(huán)梁、鋼環(huán)牛腿等方式。

當(dāng)立柱平面施工偏差超標(biāo)，或受條件制約移位施工，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的偏心應(yīng)按照實(shí)際平面定位進(jìn)行空間三維分析計(jì)算與驗(yàn)算。對(duì)于因偶然意外因素引起的基坑搶險(xiǎn)狀態(tài)也應(yīng)以此進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

半逆作法地下連續(xù)墻組合支護(hù)是一個(gè)集巖土工程和結(jié)構(gòu)工程于一身的系統(tǒng)工程，其設(shè)計(jì)與施工要求對(duì)這兩個(gè)領(lǐng)域均要有較深的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

[1] 何 亮，侯國(guó)彬，豐紅彥.太原親賢北街梅園中心停車庫(kù)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)(基礎(chǔ)工程實(shí)例3)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[2] JGJ 120—2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[4] DG/TJ 08—61—2010,基坑工程技術(shù)規(guī)范[S].

[5] DBJ 04/T306—2014,建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[6] DBJ 04/T315—2015,灌注樁后注漿技術(shù)規(guī)程[S].

[7] JGJ 165—2010,地下建筑工程逆作法技術(shù)規(guī)程[S].

Designofcolumnpileofcompositionalretainingandprotectionforexcavationsofdiaphragmwallwithpartialtop-downconstructionmethod

HeLiang1,2

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.TaiyuanInstituteofArchitectureDesignandResearch,Taiyuan030002,China)

As the column pile of compositional retaining and protection for excavations of diaphragm wall with partial top-down construction method, which should be designed according to the requirements of building function, construction technology level, support bearing and differential deformation, main structure design, etc.. The structure and seismic design of permanent components should be satisfied.

partial top-down construction method, diaphragm wall, column, design of composite structures

2017-10-08

何 亮(1971- )，男，在讀工程碩士，高級(jí)工程師

1009-6825(2017)35-0050-02

TU476.3

A