基坑工程中混凝土棧橋體系計算方法研究

畢成雙

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 200092)

引言

近年來城市發(fā)展對建設用地需求量巨大， 城市的土地資源日趨緊張， 許多城市已經轉向深層地下空間資源的開發(fā)利用。 地下空間開發(fā)利用類型也呈現多樣化發(fā)展， 逐漸從單一的人防工程拓展到集交通、 市政、 商服、 娛樂、 休閑等為一體的空間立體化形態(tài)[1]。 相應地造成基坑工程的規(guī)模向“深”、 “大”方向發(fā)展[2]。 與此同時， 受周邊道路、 建筑物以及各種市政管線的制約， 基坑工程普遍面臨四周場地狹小， 土方運輸通道受限的難題。 通過設置棧橋， 為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[3]。 但目前不少基坑工程仍以經驗類比來進行棧橋體系設計， 與實際情況相差甚大， 造成了一定的工程浪費或安全隱患。 因此，亟需統一棧橋體系的計算方法及進行受力分析的標準。

本研究依托于上海市地鐵14 號龍居路站基坑工程案例， 系統地闡述了混凝土棧橋體系的特點， 簡化了棧橋體系的計算方法。 并采用有限元軟件MIDAS GTS NX 建立三維整體計算模型， 把數值模擬值與簡化計算方法的結果進行對比分析， 驗證了簡化計算方法的合理性， 對此類工程具有現實指導意義。

1 混凝土棧橋體系特點

混凝土棧橋一般由混凝土支撐、 棧橋梁、 棧橋板及格構柱四部分結構組成(見圖1)， 通過棧橋板、 主梁和次梁的設置將集中或分散的荷載傳至支撐立柱樁上。 棧橋上的主要荷載有: ①豎向恒荷載—結構梁板自重及作用在棧橋板上的恒荷載； ②豎向活荷載—作用在上部棧橋結構板面上的施工活荷載； ③水平向支撐荷載—作用在支撐梁上的水平向水土壓力(支撐力)[4]。

圖1 混凝土棧橋的組成體系Fig.1 Composition of concrete trestle bridge

混凝土棧橋上的豎向活荷載是區(qū)別于其他結構體系的主要特點， 原因有以下幾方面:

(1)荷載種類多: 包括堆載、 施工荷載、 人群荷載、 車輛荷載(如履帶吊、 挖機、 渣土車、泵車)等， 見圖2。

(2)荷載數值大: 包括履帶吊60t、 挖機26t、渣土車25t 等， 且需根據《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60 -2015)[5]考慮動力系數。

(3)荷載組合方式多: 豎向移動荷載的隨機性大， 且具有不確定性。

圖2 混凝土棧橋的施工現場Fig.2 In-situ photo of the foundation pits

2 混凝土棧橋體系計算方法

根據混凝土棧橋體系的特點， 混凝土支撐應進行平面內(水平面內)與平面外(豎直向)計算，在平面計算模型中圍壓和約束的設置應與支護結構實際情況相符。 棧橋梁和棧橋板的內力應按影響線方法進行求解， 但由于棧橋上活載“大”、“多”、 “變”的特點， 求解復雜且計算量大， 為簡化計算， 棧橋梁按單跨簡支梁進行計算， 棧橋板按單塊板進行計算。 既可減少棧橋體系的計算量， 又保證棧橋體系的強度和變形要求。

2.1 圍壓

圍壓即圍護墻體傳遞的水平側壓力， 等于內支撐反作用于圍護結構上每延米的力。 根據支撐與圍護結構的連接關系， 支撐只限制圍護墻體位移， 不限制圍護墻體轉動， 因而各道支撐之間圍護墻體有一位置剪力為零， 見圖3， 圖中L1、L2、L3為支撐豎向間距，X1、X2為支點反力。

圖3 支撐軸力簡化計算模型Fig.3 Simplified calculation model of axial force of horizontal bracing system

支撐的軸力取支撐間距內圍護墻體上、 下剪力為零范圍內的水平側壓力之和。 剪力為零的位置可根據力法基本方程[6]， 按公式(1)計算確定。 由于計算量較大， 且各支點位移求解復雜， 可利用同濟啟明星深基坑計算軟件求得內支撐軸力。 但基坑計算軟件中需輸入計算參數—支撐剛度， 該參數需通過迭代計算得出，解法示意見圖4。

圖4 支撐剛度的迭代計算Fig.4 Iterative computations of bracing system

2.2 約束

混凝土棧橋體系周邊與土體相互作用， 兩端與圍護墻體相連， 中部與格構柱相接。 因而， 周邊土體限制了其水平位移， 圍護墻體和格構柱限制了其豎向位移， 見圖5。

圖5 棧橋體系的簡化計算模型Fig.5 Simplified calculation model of trestle bridge

2.3 平面內計算

平面內以混凝土棧橋體系所在平面為水平面，荷載作用方向和平面方向一致， 無豎向變形， 棧橋體系須承擔圍壓引起的強度和變形要求。 平面內的混凝土棧橋體系可按剛架體系進行計算。 若基坑周邊圍壓對稱， 可施加水平向集中約束， 見圖6； 若圍壓不對稱， 則施加分布的非線性約束。

圖6 混凝土棧橋體系的平面內計算簡圖Fig.6 In-plane calculation model of trestle bridge

2.4 平面外計算

平面外是垂直于混凝土棧橋體系所在平面，荷載作用方向垂直水平面， 有豎向方向變形。 即棧橋體系在自重和豎向活載作用下處于偏壓狀態(tài)， 強度和變形應滿足要求。 平面外的混凝土棧橋體系可按交叉梁體系進行計算。 圍護結構和格構柱位置施加豎向約束， 見圖7。

圖7 混凝土棧橋體系的平面外計算簡圖Fig.7 Out-plane calculation model of trestle bridge

3 工程應用

龍居路站是地下三層島式車站， 車站規(guī)模339.5m × (21.34 ～28.9) m。 基 坑 開 挖 深 度22.9m， 采用地下墻+內支撐的圍護方案。 基坑上方設置沿東西向混凝土施工棧橋， 北側寬9m，南側寬3m， 中間設2 道南北向通道， 寬11m，棧橋板厚300mm， 棧橋梁為0.8m ×1.0m， 混凝土支撐為1.0m×1.0m。 見圖8。

圖8 車站主體基坑總平面圖Fig.8 The site-plan of foundation pit

3.1 棧橋板

棧橋上主要活荷載為渣土車(北奔NG80B)、挖機(神鋼SK260L)、 履帶吊(SCC550TB)， 經試算， 棧橋板控制性荷載為履帶吊， 壓應力大小為68kN/m。 因此選用履帶吊(60t/臺)在棧橋板上進行最不利荷載布置， 并列舉了3 種荷載布置情況， 見圖9。 通過對此3 種荷載布置情況進行計算， 可知第3 種荷載布置棧橋板的內力最大， 見圖10。

圖9 棧橋板上活荷載的布置(單位： mm)Fig.9 The load of the trestle bridge panel(unit: mm)

圖10 棧橋板的彎矩計算結果Fig.10 The moment of the trestle bridge panel

3.2 棧橋梁

棧橋梁的內力應按影響線方法進行求解， 但由于棧橋上活載“大”、 “多”、 “變”的特點， 求解復雜且計算量大。 通常為簡化計算， 按單跨簡支梁計算求解， 并分別考慮荷載最不利布置以獲取彎矩、 剪力、 扭矩的最大值， 最后根據內力的最大值進行對稱配筋。 根據第3.1 節(jié)可知履帶吊(60t/臺)為控制性荷載， 列舉了履帶吊與棧橋梁平行和垂直的布置情況， 見圖11。 通過對此2 種荷載布置情況進行計算， 可知第1 種荷載布置棧橋梁的內力最大， 見圖12。

圖11 棧橋梁上活荷載的布置(單位： mm)Fig.11 The load of the trestle bridge beam(unit: mm)

圖12 棧橋梁的彎矩計算結果(單位： kN·m)Fig.12 The moment of the trestle bridge beam(unit: kN·m)

3.3 混凝土支撐及圍檁

根據第2 節(jié)可知混凝土支撐及圍檁應進行平面內和平面外的計算， 計算結果見圖13。 混凝土支撐應按純彎和偏壓兩種情況進行包絡配筋， 混凝土圍檁軸力較小， 可按純彎構件進行配筋。

圖13 混凝土棧橋體系的計算結果Fig.13 The computed result of trestle bridge

3.4 格構柱及立柱樁

格構柱應建立整體模型進行計算， 棧橋上滿鋪布置控制性荷載， 格構柱與混凝土支撐及坑底為鉸接約束(僅當底板較厚時可按固接考慮)，圖14 為基坑開挖至坑底時格構柱的軸力計算結果。

圖14 整體模型下格構柱的軸力計算結果Fig.14 The axial force of trellis-pole

由于基坑在開挖和回筑階段， 格構柱的計算長度不斷發(fā)生變化， 其承受的荷載也自上而下逐層累加。 所以格構柱應按最大軸力和最大計算長度兩種工況進行壓彎構件強度與穩(wěn)定計算， 見圖15， 圖中:L為格構柱的計算長度，d為立柱樁的直徑。 立柱樁按最大軸力進行單樁豎向承載力計算， 格構柱和立柱樁的計算結果見表1。

圖15 格構柱的計算簡圖Fig.15 The calculation model of trellis-pole

表1 格構柱和立柱樁的計算結果Tab.1 The calculated result of trellis-pole and pile

3.5 數值模擬

為驗證本計算方法的合理性， 選取了本工程案例的其中兩跨結構， 利用有限元軟件MIDAS GTS NX， 建立考慮基坑支護結構、 周圍土體和棧橋體系相互作用的三維整體計算模型， 見圖1，三維數值模擬的計算結果見圖16。

圖16 棧橋體系的三維計算結果Fig.16 The 3D analysis results of trestle bridge

通過對案例工程的三維數值分析結果和簡化方法計算結果進行對比(表2)， 可知混凝土棧橋體系各構件的三維模擬值和簡化方法的計算結果基本接近。

表2 計算結果對比Tab.2 The comparison of calculation results

4 結語

混凝土棧橋體系是基坑支護結構的一部分，其荷載復雜多變、 計算方法并不完善， 本文基于建筑框架結構的計算理論， 結合棧橋體系自身的特點， 給出了混凝土棧橋的簡化計算方法。 該方法不僅簡便、 可操作性強， 使用理正結構設計軟件即可實現棧橋體系的平面內與平面外計算； 而且安全可靠， 充分考慮各類施工荷載的最不利布置和施工工況的影響下對棧橋體系中各構件進行包絡配筋。 通過對案例工程進行三維數值模擬，模擬值與簡化方法的計算結果基本接近， 且案例工程已施工結束， 施工過程中基坑支護結構未發(fā)生設計預警， 驗證了簡化方法的合理性， 為類似工程提供借鑒。