局部逆作法施工的支撐體系設(shè)計(jì)與軸力監(jiān)測

高德元 楊皓東， 李茂友 涂剛要

(1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院 安徽合肥 230601； 2.合肥建工集團(tuán)有限公司 安徽合肥 230088)

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，建筑工程的工期和資源控制要求越來越高，逆作法施工技術(shù)以其縮短工期、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。在逆作法施工中，豎向支撐柱、灌注樁和水平鋼支撐是豎向支撐體系和水平支撐體系的重要組成部分，其構(gòu)造往往會影響施工的安全、質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)性等要素。

本文以某工程局部逆作法施工為例，對支撐體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和軸力監(jiān)測，確保工程安全，并為類似工程提供參考。

1 工程概況

合肥某建筑工程地下2層，地上4層，東臨34層住宅小區(qū)，小區(qū)距離基坑最近距離僅為8.8m，施工場地狹小，故采取局部逆作法施工。逆作法區(qū)域面積約4000 m2，采用“一樁一柱”工藝施工豎向支撐柱和灌注樁，豎向支撐柱采用格構(gòu)柱，既是臨時(shí)支撐，又作為地下室永久框架柱的鋼骨。在基坑支護(hù)樁和主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置水平鋼支撐作為先期地下結(jié)構(gòu)，有效形成逆作法完整的水平傳力體系，如圖1所示。

圖1 豎向支撐格構(gòu)柱和水平鋼支撐

2 豎向支撐格構(gòu)柱施工階段的設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算模型

在設(shè)計(jì)豎向支撐柱之前，首先確定單柱的負(fù)載面積，在每個(gè)方向取左右相鄰柱子間距的平均值，根據(jù)工程實(shí)際得出邊長均為9 m,負(fù)載面積為81 m2。格構(gòu)柱簡化為一端鉸接、一端固接的軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 豎向支撐格構(gòu)柱計(jì)算模型

2.2 最不利工況的確定和荷載計(jì)算

該工程有兩個(gè)不利工況，如圖3所示，最不利工況，一為基坑開挖至負(fù)二層頂板下1.5 m處，此時(shí)地上施工至一層；二為基坑開挖至坑底、底板施工完畢前，此時(shí)地上施工至二層。

圖3 最不利工況一(左)和最不利工況二(右)示意圖

單柱在最不利工況一時(shí)承受的上部荷載為：①地上一層結(jié)構(gòu)總重(361.2 kN)和地上一層結(jié)構(gòu)梁板的施工荷載(按2 kPa考慮)；②地下室首層結(jié)構(gòu)梁板自重(410.4 kN)和地下室頂板施工機(jī)械、人員荷載等效施工均布活荷載為2.5 t/m2)；③地下一層結(jié)構(gòu)頂板自重(410.4 kN)和地下一層頂板的施工荷載(按2 kPa考慮)。根據(jù)荷載規(guī)范要求考慮恒、活荷載的分項(xiàng)系數(shù)、腳手架的重量，經(jīng)過荷載組合后，計(jì)算得出單柱的集中荷載為5092 kN，即在最不利工況一下單柱需承受的最大軸力值。

同理，計(jì)算得出最不利工況二時(shí)單柱需承受的最大軸力值為5383 kN。

2.3 計(jì)算長度的確定

已完成的最下層地下水平結(jié)構(gòu)至挖土面的距離H取3.65 m(負(fù)二層凈高和負(fù)二層底板高度之和)，一端固定一端鉸支的計(jì)算長度系數(shù)取0.7，此時(shí)豎向支撐柱的計(jì)算長度lo=0.7 m×3.65 m=2.56 m。

2.4 截面尺寸的選取

上文計(jì)算得出的5383 kN，是最不利工況下的最大軸力值，考慮施工的實(shí)際情況，將軸心壓力設(shè)計(jì)值放大到6000 kN，采用Q355鋼材，格構(gòu)柱邊長初定為b×b=500 mm×500 mm，如圖4所示。

圖4 格構(gòu)柱截面圖

2.5 綴板設(shè)計(jì)

2.6 綴板強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》[6]，綴板剪力：

2.7 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

式中，Ix為x軸截面慣性矩，A0為單角鋼截面面積，b為格構(gòu)柱邊長。經(jīng)計(jì)算，格構(gòu)柱的主肢長細(xì)比λ=3.46,格構(gòu)柱分肢對最小剛度軸1-1的長細(xì)比λ1=10.18。

2.8 插入長度驗(yàn)算

式中，l為插入立柱樁的長度，根據(jù)工程實(shí)際情況取4000 mm，K為安全系數(shù)，fc為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，L為立柱斷面的周長，σ為粘結(jié)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，如無試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可近似取混凝土的抗拉設(shè)計(jì)值ft。

2.9 其他構(gòu)造措施

為保證格構(gòu)柱的臨時(shí)穩(wěn)定，在格構(gòu)柱施工結(jié)束后，往里面填充C15混凝土，待基坑開挖時(shí)，再將其掏空，后期澆筑混凝土形成永久地下室框架柱。永久框架柱未澆筑時(shí)，要考慮梁柱節(jié)點(diǎn)處豎向力的傳遞，故在格構(gòu)柱上設(shè)置栓釘。格構(gòu)柱鋼板影響梁縱筋貫通，為使梁柱節(jié)點(diǎn)處的鋼筋全部穿過格構(gòu)柱，在梁節(jié)點(diǎn)處加腋處理。

3 立柱樁的設(shè)計(jì)

在逆作施工時(shí)，底板澆筑之前，結(jié)構(gòu)自重、施工荷載均由格構(gòu)柱承擔(dān)，格構(gòu)柱再將荷載傳遞給灌注樁。由上文可知，格構(gòu)柱承受的最大軸力值為5383 kN，再根據(jù)地勘報(bào)告地基設(shè)計(jì)參數(shù)，建議值初選長25 m、直徑1000 mm的鉆孔灌注樁。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)[7]，單樁的豎向極限承載力計(jì)算公式:

Quk=Qsk+Qpk=u∑ψsiqsikli+ψpqpkAp

式中，Qsk為總極限側(cè)力阻標(biāo)準(zhǔn)值；Qpk為總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qsik為樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為樁徑為1000 mm的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；ψsi、ψp為大直徑樁側(cè)阻力、端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)；u，根據(jù)地勘報(bào)告基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)建議值確定為樁身周長，取3.14 m；Ap為樁端面積，取0.875 m2。

經(jīng)過計(jì)算，單樁的豎向極限承載力Quk=11 167 kN。

考慮安全系數(shù)后，單樁的豎向承載力特征值Ra=5584 kN，滿足要求。

4 水平鋼支撐的設(shè)計(jì)

逆作法施工期間，為了將支護(hù)樁承受的水平荷載傳遞到主體結(jié)構(gòu)，形成完整可靠的水平傳力體系，遂在支護(hù)樁和主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置H型鋼作為水平支撐，待地下室土方回填后割除超出部分，剩余部分埋入鋼筋混凝土中。水平鋼支撐施工圖如圖5所示。

圖5 水平鋼支撐施工圖

4.1 計(jì)算模型

取單根鋼支撐作為研究對象，支撐的一端與主體結(jié)構(gòu)的支撐柱澆筑在一起，形成剛性接頭；另一端通過預(yù)埋件鋼板連接后與圍檁澆筑在一起，也形成剛性接頭。故水平支撐的計(jì)算模型可以簡化為固支梁模型，基坑側(cè)向土壓力簡化為軸心壓力。考慮施工縫的布置及施工最不利的情況，將計(jì)算長度設(shè)為4.5m，計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 水平鋼支撐計(jì)算模型

4.2 截面尺寸的選取

該工程H型鋼初選截面尺寸400×400×13×21 mm，翼緣厚度tf=21 mm>16 mm,采用Q355鋼材，鋼材的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=295 N/mm2，截面面積A=214.54 cm2,回轉(zhuǎn)半徑ix=17.45cm，回轉(zhuǎn)半徑iy=10.22 cm。

4.3 水平鋼支撐內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)[8]，水平鋼支撐對排樁的作用力，可按下式計(jì)算得出:

Fh=kR(vR-vR0)

式中，F(xiàn)h為擋土構(gòu)件計(jì)算寬度內(nèi)的彈性支點(diǎn)水平反力；kR為計(jì)算寬度內(nèi)的彈性支點(diǎn)剛度系數(shù)；vR為擋土構(gòu)件在支點(diǎn)處的水平位移值。vR0為設(shè)置支點(diǎn)時(shí)，支點(diǎn)的初始水平位移值，取0；λ為支撐不動點(diǎn)調(diào)整系數(shù)，取0.8；αR為支撐松弛系數(shù)，取0.8；E為支撐材料的彈性模量，取2.06×105kPa；ba為結(jié)構(gòu)計(jì)算寬度，取0.4 m，l0為受壓支撐構(gòu)件的長度，取4.5 m；s為支撐的水平間距，取4.5 m。

運(yùn)用理正深基坑7.0軟件對該工程基坑進(jìn)行建模分析，該基坑采用三排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，軟件簡化為雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，得出水平鋼支撐支點(diǎn)處在基坑開挖到底時(shí)的最大位移值為11.28 mm。代入上式，可得出鋼支撐承受的最大支撐軸力為1773 kN。再根據(jù)規(guī)范在此基礎(chǔ)上乘以系數(shù)1.37，得到鋼支撐的軸力設(shè)計(jì)值2437 kN。

4.4 截面驗(yàn)算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)[4]對水平鋼支撐進(jìn)行截面驗(yàn)算。

4.5 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

4.6 其他構(gòu)造措施

為減小水平鋼支撐長度，提升支撐效果，水平鋼支撐澆筑混凝土?xí)r，將其施工縫位置留在距后施工地下室外墻不大于500 mm處。同時(shí)，在水平鋼支撐上焊接栓釘，加強(qiáng)水平鋼支撐與混凝土的連接強(qiáng)度，提高水平鋼支撐的整體受力性能。

5 水平鋼支撐軸力的施工監(jiān)測

為確保在施工時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生的異常，有針對性調(diào)整施工方案。該工程在土體結(jié)構(gòu)施工以及基坑開挖階段，對水平鋼支撐進(jìn)行軸力監(jiān)測。水平鋼支撐的軸力監(jiān)測，選用應(yīng)變計(jì)附著在首層四道鋼支撐上，實(shí)時(shí)監(jiān)測支撐軸力的變化，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7和表2所示。

圖7 水平鋼支撐軸力變化圖

表2 水平鋼支撐荷載監(jiān)測結(jié)果 kN

從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，支撐軸力有兩個(gè)峰值點(diǎn)，分別對應(yīng)地下一層和地下二層土方開挖時(shí)的工況。開挖地下二層時(shí)的支撐軸力大于開挖地下一層時(shí)的支撐軸力，且均小于水平鋼支撐的設(shè)計(jì)值。4種工況下監(jiān)測的荷載平均值均小于1000 kN。在十月份地下二層底板施工后，支撐軸力開始下降，并且穩(wěn)定在500 kN左右，四道支撐軸力的變化基本趨于一致，表明基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，水平鋼支撐有效發(fā)揮作用，充分說明水平鋼支撐布置合理、設(shè)計(jì)安全。

6 結(jié)論

(1)在逆作法采用格構(gòu)柱作為豎向支撐柱的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮綴板的穩(wěn)定性。綴板的間距直接影響格構(gòu)柱的整體穩(wěn)定和分肢穩(wěn)定，間距過小用鋼量增加，間距過大則有安全隱患。

(2)該工程格構(gòu)柱插入灌注樁的深度遠(yuǎn)大于驗(yàn)算插入深度。類似的工程在設(shè)計(jì)插入長度時(shí)，要遵循規(guī)范，且應(yīng)具體情況具體考慮，可適當(dāng)?shù)乜s短插入長度。樁端阻力是不可忽視的一部分承載力。在計(jì)算灌注樁豎向承載力時(shí)，要考慮樁端阻力和樁側(cè)阻力的合力作用。

(3)水平鋼支撐作為逆作法水平支撐系統(tǒng)的重要組成部分,在設(shè)計(jì)時(shí),可將復(fù)雜的空間問題簡化為二維平面問題。支撐軸力有兩個(gè)峰值點(diǎn)，分別對應(yīng)地下一層和地下二層土方開挖時(shí)的工況，且開挖地下二層時(shí)的支撐軸力大于開挖地下一層時(shí)的支撐軸力。施工時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)保證這兩個(gè)工況的施工安全。