裝配式預應力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)在基坑支護中的應用

雷永強，韓建剛

（1.深圳高速工程顧問有限公司，廣東 深圳 518094；2.海南大學土木建筑工程學院，海南 ?？?570208）

0 引言

隨著我國現(xiàn)代科技和城市建設的飛速發(fā)展，建筑施工技術(shù)越來越成熟，高層建筑需求越來越大，基坑支護難度也隨之變大，施工方必須通過施加水平支撐以滿足基坑頂部、深層土體的位移在規(guī)范允許范圍內(nèi)，從而保證基坑周圍建（構(gòu)）筑物、道路等設施在基坑回填之前，不會因基坑開挖或降水導致大的沉降變形而影響到這些設施的正常使用。同時，支護結(jié)構(gòu)雖作為一個臨時性結(jié)構(gòu)，其造價占據(jù)全部工程造價的比例不可小覷。因此，在基坑支護結(jié)構(gòu)設計階段，應以安全為前提，選擇最優(yōu)支護方案，以達到降低造價、便于施工和縮短工期的目的，這就使得技術(shù)人員必須改變原先的研究思路，經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗和深入研究，使越來越多新的技術(shù)在實踐中產(chǎn)生并迅速發(fā)展。

近些年來，因相關(guān)地方法規(guī)及施工現(xiàn)場實際情況的限制，放坡、樁錨支護等體系的應用受到影響，內(nèi)支撐式支護結(jié)構(gòu)逐漸成為深基坑支護結(jié)構(gòu)中水平支撐體系的首選，成熟的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)將對基坑安全起到越來越重要的作用。評價一種支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣一般是以質(zhì)量、造價和工期作為標準，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土內(nèi)支撐、型鋼支撐、鋼管支撐在這些方面均存在不足之處，裝配式預應力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)應運而生。

裝配式預應力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)是從國外引進并發(fā)展的一項新技術(shù)，該系統(tǒng)采用現(xiàn)場裝配連接，無需焊接，可顯著縮短支護工期。而且預應力魚腹梁可根據(jù)需要調(diào)節(jié)基坑的變形，是一種能夠兼顧安全、經(jīng)濟及工程進度的支護系統(tǒng)。目前，因國內(nèi)工程人員對該系統(tǒng)認識不足，使其應用受到很大限制。基于此，本文結(jié)合海口市某基坑工程，對裝配式預應力魚腹梁支撐系統(tǒng)進行研究分析。

1 裝配式預應力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)組成及工作原理

1）系統(tǒng)組成 裝配式預應力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)（簡稱IPS）主要由魚腹梁結(jié)構(gòu)、對撐結(jié)構(gòu)、角撐結(jié)構(gòu)、連系桿、三角形節(jié)點及立柱等組成，它是一個完整的立體支撐系統(tǒng)。其中，魚腹梁結(jié)構(gòu)由圍檁、腹桿、預應力鋼絞線組成，如圖1所示。

圖1 魚腹梁結(jié)構(gòu)

2）工作原理 在三角鍵處對鋼絞線進行錨固并對鋼絞線施加預應力，預應力通過腹桿傳到圍檁上，使魚腹梁結(jié)構(gòu)受到向基坑外的作用力，在這個作用力下，基坑將向外產(chǎn)生預先變形。開挖后，基坑外水土壓力作用將會被預應力的作用減小甚至抵消，從而有效保證基坑開挖過程中的穩(wěn)定性。

2 工程實例

2.1 工程概況

某項目位于?？谑?，占地面積約2385.75m2，總建筑面積50535.36m2，建筑上部采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎為樁+筏基礎，設3層地下室，室外標高±0.000=4.50m（秀英高程），現(xiàn)場地面標高約4.00m，基坑開挖深度約15.50m，周長約240m，面積約3420m2，其側(cè)壁安全等級均為一級。

根據(jù)勘察報告，基坑設計主要涉及以下土層：①層雜填土全場地范圍內(nèi)均有，厚1.2～2.2m，松散狀，欠壓實，工程性能差，均勻性較差；②層中砂 分布于局部場地，厚0.6～3.5m，飽和，松散狀，實測標貫擊數(shù)N=6～8擊，平均7擊，地基承載力特征值fak=150kPa；③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土 分布于全場地，厚度0.80～5.70m，實測標貫擊數(shù)N=1～2擊，地基承載力特征值fak=70kPa；④層粗砂 分布于全場地，厚1.50～4.80m，飽和，中密，實測標貫擊數(shù)N=16～19擊，平均17擊，地基承載力特征值fak=220kPa；⑤層粉質(zhì)黏土分布于全場地，該層沒有揭穿，厚36.70～66.40m，硬塑-堅硬狀，為超固結(jié)土，局部已半固結(jié)成巖，實測標貫擊數(shù)N=16～52擊，平均33擊，地基承載力特征值fak=280kPa。

2.2 裝配式預應力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)有限元分析

2.2.1 支護方案

基坑周圍距離道路、建筑物較近，無足夠的放坡空間，基坑開挖深度15.50m，采用排樁+預應力魚腹梁鋼支撐系統(tǒng)+高壓旋噴樁的支護形式，支撐平面布置為角撐、對撐與魚腹梁結(jié)構(gòu)相結(jié)合的形式。

2.2.2 計算模型

模型大小及基坑開挖范圍與原支護結(jié)構(gòu)的三維模型相同，均據(jù)實際工程情況建模。支護結(jié)構(gòu)方面，南、北側(cè)魚腹梁結(jié)構(gòu)跨度27.5m，矢高6m；東西側(cè)魚腹梁結(jié)構(gòu)跨度38m，矢高6.8m。結(jié)構(gòu)中除鋼絞線采用桿單元模擬外，其他魚腹梁支護結(jié)構(gòu)均采用梁單元進行模擬。圖2和圖3分別為預應力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)的三維有限元模型。

圖2 三維有限元網(wǎng)格

圖3 基坑支護平面

2.2.3 單元材料參數(shù)

1）1，2層圍檁 H498×432×45×70型鋼，面積 A＝0.07708m2，采用梁單元模擬。

2）3層圍檁 雙拼H498×432×45×70型鋼，面積A＝0.15416m2，采用梁單元模擬。

3）對撐 H400×400×13×21型鋼，面積A=0.02195m2，采用梁單元模擬。

4）連系桿 H400×400×13×21型鋼，面積A=0.02195m2，采用梁單元模擬。

5）角撐 H400×400×13×21型鋼，面積A=0.02195m2，采用梁單元模擬。

6）鋼絞線 15.2鋼絞線，面積A=0.00014m2，采用桿單元進行模擬，鋼絞線數(shù)量根據(jù)施加的預應力而定。

7）三角形結(jié)點區(qū) 此區(qū)域與單根型鋼相比，面積與剛度大，近似于1個剛域，采用梁單元對其模擬時，將梁截面值取大，可達到模擬剛域的效果，本次分析中取三角形結(jié)點區(qū)面積A=1.0m2。

2.2.4 施加荷載條件

施加荷載按實際情況考慮，除土體自重外，在基坑西側(cè)有寬20m，距坑邊距離為7m，數(shù)值為20kN/m2的超載。關(guān)于預應力值得確定，可通過相關(guān)剖面計算軟件計算出支護系統(tǒng)的水平設計荷載，進而確定魚腹梁中鋼絞線的預應力值，然后計算出所需鋼絞線數(shù)量，如表1所示。

2.2.5 計算結(jié)果

1）圍護結(jié)構(gòu)變形 因基坑西側(cè)有超載，導致西側(cè)位移比東側(cè)大，所以只列出對撐以西圍檁的位移情況以供分析。由表2可看出，支護結(jié)構(gòu)總的位移情況是隨基坑開挖支護的先后順序，支護結(jié)構(gòu)位移在不斷增加，所以第3道支撐的位移最大。

2）軸力 表3為各層支護結(jié)構(gòu)中同種構(gòu)件的最大軸力，可看出第2層支護中構(gòu)件所受軸力較大，尤其是魚腹梁范圍內(nèi)的圍檁所受軸力最大。

表1 鋼絞線預應力值

表2 結(jié)構(gòu)位移 mm

表3 結(jié)構(gòu)最大軸力計算結(jié)果 kN

表4 結(jié)構(gòu)最大彎矩計算結(jié)果 kN·m

3）彎矩 表4為各層支護結(jié)構(gòu)中同種構(gòu)件的最大彎矩情況，由表4可看出，第2層結(jié)構(gòu)的彎矩值大于其他層結(jié)構(gòu)彎矩值。同時可看出，對撐和角撐彎矩較小，這是因為其主要用來傳遞軸力。從第2層支撐的彎矩云圖中可看出，支護結(jié)構(gòu)中最大彎矩發(fā)生于對撐、角撐兩端的三角鍵上，這主要是由于對撐、角撐傳遞軸力到端部所引起，但這個部位為剛域，其構(gòu)件安全可以保證。

4）構(gòu)件驗算 因支護系統(tǒng)中第2層支撐結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩值最大，且第2層結(jié)構(gòu)所用型鋼的截面相對較小，所以應對最危險的第2層結(jié)構(gòu)進行驗算。在進行驗算時，采取最不利情況，即軸力、彎矩值的大小均取同類型構(gòu)件的最大值，構(gòu)件的計算長度也取同類型構(gòu)件的最大值。

經(jīng)過驗算，在最不利情況下的各類型構(gòu)件的強度和穩(wěn)定性均能滿足要求，所以支護結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件安全。

3 結(jié)果分析

3.1 位移分析

通過模擬計算可看出裝配式預應力魚腹梁支撐系統(tǒng)的魚腹梁結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)圍檁的最大位移僅為17.3mm，而且該支護系統(tǒng)的一大特點是：可根據(jù)需要，通過施加預應力主動、靈活地調(diào)節(jié)基坑的位移。所以只要施加合適的預應力，魚腹梁圍檁的位移會更小，可更加有效地控制基坑位移。

但是，魚腹梁的端部和角撐位置位移較大，如魚腹梁端部最大位移29.2mm，角撐位置圍檁的最大位移為27.2mm，這是因為鋼絞線的張拉使魚腹梁端部的圍檁發(fā)生向基坑內(nèi)的位移，角撐處傳來的側(cè)土壓力可抵消一部分位移，但不足以抵消由于鋼絞線張拉和主動土壓力引起的魚腹梁端部圍檁朝向基坑內(nèi)的位移。同時，由于此設計中留給角撐支護的距離過小，致使無法施加足夠的角撐抵抗預應力及土壓力的作用，而使角撐及魚腹梁端部的位移比魚腹梁范圍內(nèi)圍檁的位移大，但29.2mm對于基坑來講也是安全的。只要設計人員能夠合理地布置該結(jié)構(gòu)、合理地施加預應力，就可更加有效地減小基坑位移。

3.2 內(nèi)力分析

對于該工程，通過Madis/GTS對傳統(tǒng)內(nèi)支撐系統(tǒng)和裝配式魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)進行模擬分析，魚腹梁結(jié)構(gòu)中圍檁的最大軸力比傳統(tǒng)支護中冠、腰梁最大軸力大47%，這主要是由魚腹梁結(jié)構(gòu)的傳力特性決定。所以在進行魚腹梁設計時，圍檁的截面應相對較大，才能保證其安全、穩(wěn)定。

同時可發(fā)現(xiàn)，2種支護系統(tǒng)中對撐的最大軸力為相差甚小，但相對于裝配式預應力魚腹梁支撐系統(tǒng)，傳統(tǒng)內(nèi)支護系統(tǒng)一般會布置較多的對撐，所以相對于傳統(tǒng)的支撐系統(tǒng)，裝配式預應力魚腹梁支撐系統(tǒng)中所有對撐所需承擔的總軸力較小，在對其進行設計時，對撐的總截面面積可相對較小。

3.3 施工工藝分析

裝配式預應力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)所用鋼材均采用工廠定制生產(chǎn)，施工時在現(xiàn)場進行拼裝連接，無論安裝還是拆除都非常方便，整個過程只需人工施工，無需大型機械，不需較大的作業(yè)面，在工期緊張的時候，可通過增加工人加緊施工，靈活性較高。而且相對于混凝土結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)的施工沒有養(yǎng)護期，可快速完成支護結(jié)構(gòu)施工，大大縮減工程工期。同時，因為魚腹梁系統(tǒng)無需布置大量的對撐、角撐，可提供較大的施工空間，方便基坑內(nèi)土方的開挖，同樣可縮短施工工期。由此可見，這種綠色支護技術(shù)對于基坑支護技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的意義。

3.4 經(jīng)濟效益分析

基坑工程支護造價涉及多個方面，下面僅對支護結(jié)構(gòu)水平支撐的材料造價進行討論，其中材料單價根據(jù)目前市場的一般價格而定。關(guān)于鋼筋混凝土中鋼筋工程量的統(tǒng)計，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，縱筋的最小配筋率為0.6%，加上一些構(gòu)造鋼筋，則鋼筋工程量可按0.7%的配筋率進行計算，此工程中結(jié)構(gòu)平均截面面積約1m2，經(jīng)過估算，每立方米鋼筋混凝土中含鋼筋量最少60kg。

在裝配式預應力魚腹梁支撐系統(tǒng)中，型鋼皆為租賃，所以型鋼的單價均按租賃價格進行計算，租賃時間按原支護結(jié)構(gòu)的設計周期（1年）進行考慮。

對比2種支護不同的水平支護結(jié)構(gòu)所用材料的造價可看出，裝配式預應力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)相較于混凝土內(nèi)支撐減小14.6%。而且因為這種先進的施工技術(shù)可大大縮減工程工期，進而縮短鋼材租期，極大地減少了支護結(jié)構(gòu)的工程造價。所以裝配式預應力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟效益，這對于該支護系統(tǒng)的廣泛使用具有非常重要的作用。

4 結(jié)語

1）裝配式預應力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)可有效、靈活、主動地約束基坑周邊的位移，保護基坑開挖過程中的安全。

2）裝配式預應力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)與傳統(tǒng)混凝土內(nèi)支撐系統(tǒng)相比較，安裝與拆除更為方便，不需養(yǎng)護期，縮短了施工工期。而且該系統(tǒng)使基坑具有更大的施工空間，方便土方開挖與運輸，使基坑開挖工期大大縮減。

3）裝配式預應力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)是一種綠色環(huán)保的新技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的混凝土支護結(jié)構(gòu)，其材料可多次利用，具有非常明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。