基坑混凝土棧橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計初步分析

張宏亮 , 尤匡飛, 張宏燕

(1. 臺州市交通勘察設(shè)計院,浙江 臺州 318001；2.河南省地礦局第一地質(zhì)勘查院,河南 鄭州 450001)

近些年來,隨著市區(qū)可利用土地越來越少,城市建設(shè)向開發(fā)地下空間方向傾斜,出現(xiàn)了許多形狀復(fù)雜,占地面積較大,挖土深度較深的基坑工程。有時為有效利用紅線內(nèi)面積,地下室范圍線往往貼近用地紅線布置,造成紅線內(nèi)可作為材料堆場、運土通道的場地少?；訃o結(jié)構(gòu)為建筑物地下結(jié)構(gòu)部分安全施工提供保障,一般安全度較低,有效使用時間較短,隨著基坑深度的增加,土方開挖方量加大,開挖工期變長,長時間暴露的基坑受周邊荷載的影響,蠕變變形量增大,圍護結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險加大。為解決上述問題,主要采用設(shè)置棧橋的方法,通過設(shè)置棧橋,可以很好地改善土方運輸條件,提高土方開挖外運效率,縮短工期,節(jié)約工程造價[1]。

棧橋主要有鋼棧橋和鋼筋混凝土棧橋,為了加強支撐剛度,節(jié)省造價,一般采用首道支撐與棧橋相結(jié)合的形式布置。此時棧橋上荷載較多,受力較復(fù)雜,目前尚無可靠的分析方法,故設(shè)計者往往根據(jù)以往的成功經(jīng)驗來選取支撐梁截面尺寸和配筋,因而主觀性較大。于是，分析混凝土棧橋上部支撐結(jié)構(gòu)的受力情況,使設(shè)計模型與真實情況相符合,才能達到安全使用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、保證質(zhì)量的設(shè)計要求。

1 棧橋荷載

混凝土棧橋上部結(jié)構(gòu)一般由棧橋支撐梁和板組成。棧橋荷載的確定是整個棧橋設(shè)計的基礎(chǔ)[2]。棧橋受到來自于垂直與水平方向的荷載作用。垂直方向荷載主要有兩部分：一部分為棧橋梁板自身的重量和作用在棧橋板上的恒荷載,該荷載受力明確,較好確定；另一部分為作用在棧橋板上的施工活荷載,主要有施工堆載和運土車輛動荷載,這部分荷載動態(tài)變化。水平方向荷載主要為作用在棧橋梁上的支撐軸力,該力隨挖土深度增大而增大,一般采用平面有限元法計算。為挖運基坑內(nèi)土方,棧橋主要作為運土車的行車通道。

2 荷載簡化為集中力

運土車通常有三排車輪,一般考慮運土車滿載土方時質(zhì)量為50 t[3],第一排與第二排輪距為4.0 m,第二排與第三排輪距為1.4 m,見圖1。運土車寬度一般小于支撐梁橫向跨度,為便于計算,假定運土車荷載為作用于單根支撐梁上的集中力,滿載時第一排荷載為100 kN,第二排和第三排荷載均為200 kN。梁容重為25 kN/m3,計算時考慮支撐梁自重,恒載的分項系數(shù)取1.2,活載的分項系數(shù)取1.4[3],計算模型見圖2。

圖2 運土車滿載土方時集中力計算模型

運土車在棧橋上行駛時,作用于棧橋上的荷載位置是變化的。在支撐梁跨度一定的情況下,通過分析運土車在支撐梁上不同位置處支撐梁的內(nèi)力情況,查找出最大彎矩時運土車的所在位置。

運土車在支撐梁上的位置以第三排車輪距支撐梁左側(cè)端點的距離(圖1中在支撐梁行進距離)表示,假定支撐梁跨度為8.0 m,梁的尺寸為800 mm×1000 mm(h),計算運土車通過整個支撐梁時的最大彎矩變化情況,見圖3。

圖3 運土車在支撐梁行進時的最大彎矩變化情況

由圖3可以看出,隨著運土車在支撐梁上行進,最大彎矩先變大然后逐漸變小,最大彎矩在420～856 kN·m之間變化,變化幅度達104%,最大彎矩出現(xiàn)在運土車行進到支撐梁2.0 m處,此時整輛運土車的重心距離支撐梁中點最近。由此可以看出,最不利情況出現(xiàn)在運土車重心與支撐梁中點重合時。

3 荷載簡化為分布力

當運土車荷載為作用于單根支撐梁上的分布力時,分布力q=500/5.4=92.6 kN·m,作用長度為5.4 m,作用區(qū)域見圖4。

圖4 運土車滿載土方時分布力計算模型

此時支撐梁最大彎矩為821 kN·m,較集中力計算情況減少4%。說明在求支撐梁最大彎矩時,將運土車荷載簡化為集中力模型與分布力模型區(qū)別不大,因此可以根據(jù)具體情況自主選擇計算模型。

4 多輛運土車在棧橋上行走

具體施工時,為提高基坑挖土效率,棧橋上不僅僅只有一輛運土車,有時有另外一輛運土車或挖土機停靠在相鄰或相隔支撐梁上,分別建立相鄰與相隔支撐梁情況下的計算模型,見圖5。

圖5 運土車分別在相鄰與相隔支撐梁上的計算模型

每跨支撐梁上作用荷載及位置同第一跨,經(jīng)計算得運土車在相鄰支撐梁時最大彎矩為954 kN·m,相隔支撐梁時最大彎矩為911 kN·m,分別較棧橋上僅有單輛運土車時最大彎矩增長11.4%和6.4%?？梢姉蛏线\土車間隔較近時對支撐梁有較大影響。為確保棧橋安全,實際施工時應(yīng)對棧橋上運土車數(shù)量及間距進行現(xiàn)場控制,避免出現(xiàn)兩輛運土車同時在棧橋上運行。

5 支撐梁跨度的選取

運土車荷載在豎向平面內(nèi)對支撐梁產(chǎn)生較大的附加彎矩,合理選取支撐梁的跨度對優(yōu)化棧橋設(shè)計至關(guān)重要。當跨度在6.0～12.0 m范圍變化時,支撐梁最大彎矩見圖6。

圖6 支撐梁跨度隨最大彎矩變化情況

由圖6可知，支撐梁跨度與最大彎矩近似成線性關(guān)系,隨著跨度的增長,最大彎矩增長較快。當跨度選取較大時,彎矩過大,支撐梁截面及配筋相應(yīng)增加,且跨度過大,棧橋安全度降低。當跨度選取較小時,立柱及支撐梁間距過密,造成挖土機械施工空間過小,影響出土效率。具體跨度的選取應(yīng)根據(jù)實際情況綜合考慮,一般情況下對撐棧橋梁跨度不宜大于9.5 m,角撐棧橋梁跨度不宜大于11.0 m。

6 棧橋板設(shè)計

支撐梁下的棧橋板一般按雙向板設(shè)計,由于運土車輪壓的動態(tài)變化,一般將荷載等效為均布荷載分析,根據(jù)蕭彥杰等[4]人的研究,等效荷載與板厚的關(guān)系不大,雙向板跨度在6.0～8.0 m范圍變化時,等效荷載取20.0～30.0 kN/m2。根據(jù)經(jīng)驗,板厚一般不小于跨度的1/30,取200～350 mm。在運土車行進過程中,棧橋板與車輪間的作用使得板中的正負彎矩變化復(fù)雜,為施工方便,同一塊棧橋板厚度取統(tǒng)一值,配筋采用雙向雙排布置。在具體項目上,往往直接考慮支撐梁承受全部的運土車荷載和其他施工荷載,而將棧橋板對荷載的分配作為一定程度的安全度提高。

7 工程實例

溫州某基坑總建設(shè)用地面積21 814 m2,主要由5F農(nóng)貿(mào)市場及其周圍配套設(shè)施組成,并設(shè)地下室2層,地下室建筑面積25 373.3 m2,基坑總延長米約為640 m,挖土深度9.75～10.90 m,基坑呈紡錘形?；尤齻?cè)均為市政道路,一側(cè)分布淺基礎(chǔ)民房,道路靠近基坑側(cè)下部分布較多市政管線,圍護邊線距離用地紅線最近處僅2.0 m,紅線內(nèi)無可用的施工場地。

場地為海相沉積平原地貌,分布有厚達20余米的飽和淤泥,圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁排樁+二道水平鋼筋混凝土支撐進行支護,鉆孔灌注樁外圍布置一排三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕,被動區(qū)采用三軸水泥攪拌樁進行加固。土方開挖量達13萬m3,考慮工期要求,為達到出土方便及節(jié)省造價的要求,采用首道支撐梁與棧橋相結(jié)合的形式布置支撐,棧橋平面(陰影區(qū)域)及剖面見圖7。

圖7 棧橋平面布置圖及剖面圖

棧橋橫跨基坑,為九跨連續(xù)梁,棧橋跨度按9.0 m 考慮,等效荷載取30.0 kN/m2,運土車荷載取500 kN,棧橋支撐梁考慮支撐軸力的影響,按雙向偏心受壓桿件進行設(shè)計,棧橋板厚度取300 mm,棧橋梁及板配筋見圖8。

圖8 棧橋梁及板配筋圖

根據(jù)設(shè)置在立柱樁上的支撐梁沉降觀測點及坑外土體深層沉降觀測點觀測結(jié)果顯示,最大累計觀測值僅為報警值的63%與54%,混凝土棧橋運行良好,達到了設(shè)計要求。

8 結(jié) 語

1)通過設(shè)置棧橋,可以提高土方開挖外運效率。

2)運土車行進在支撐梁上最不利情況出現(xiàn)在運土車重心與支撐梁中點重合時。

3)運土車荷載簡化為集中力模型與分布力模型區(qū)別不大。

4)為確保棧橋安全,應(yīng)避免出現(xiàn)兩輛運土車同時運行。

5)支撐梁跨度與最大彎矩近似成線性關(guān)系。

6)實際工程中將棧橋板對荷載的分配作為一定的安全儲備。