超高無(wú)內(nèi)支撐側(cè)壁的設(shè)計(jì)方法研究及應(yīng)用

陳林 劉春艷

0 引言

傳統(tǒng)側(cè)壁通常設(shè)計(jì)成連續(xù)梁模型，下端固結(jié)，上端鉸接，并將各層樓板視為側(cè)壁水平支點(diǎn)，此方法計(jì)算簡(jiǎn)便可靠。但當(dāng)?shù)叵率腋鳂菍哟竺娣e開(kāi)洞造成側(cè)壁無(wú)水平支撐時(shí)，采用此方法計(jì)算側(cè)壁其經(jīng)濟(jì)性已不適用。本文以某一實(shí)際工程為例，探討采用灌注樁協(xié)調(diào)扶壁柱解決超高無(wú)內(nèi)支撐側(cè)壁的設(shè)計(jì)方案，即通過(guò)扶壁柱使側(cè)壁單向?qū)Ш桑⒉捎霉嘧兜挚狗霰谥髲澗?，最后設(shè)置鋼筋混凝土斜撐協(xié)調(diào)底板及扶壁柱解決深基坑換撐的方案，施工周期、經(jīng)濟(jì)性等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)明顯提高。

1 工程概況

擬研究對(duì)象為某研究院研發(fā)大樓，總建筑面積約40 000m，地上7層，地下3層，局部4層。地上建筑主要功能為廠房車(chē)間（丙類(lèi)廠房），地下建筑主要功能為機(jī)動(dòng)停車(chē)庫(kù)，部分功能為車(chē)間及設(shè)備房。采用框架結(jié)構(gòu)體系。如圖1 所示，由于地下室設(shè)置大型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，造成地下室三層通高無(wú)樓板，地下室開(kāi)洞造成側(cè)壁無(wú)支長(zhǎng)度達(dá)到16.1m，為側(cè)壁設(shè)計(jì)帶來(lái)一定難度。本文通過(guò)對(duì)比分析超高無(wú)內(nèi)支撐側(cè)壁設(shè)計(jì)方法及由此帶來(lái)的基坑支護(hù)問(wèn)題，為類(lèi)似工程提供參考。

圖1 地下室平面圖及剖面圖

2 側(cè)壁設(shè)計(jì)方案

2.1 常規(guī)設(shè)計(jì)方案

按常規(guī)方法設(shè)計(jì)側(cè)壁，首層樓板及底板提供對(duì)側(cè)壁水平支撐（底板嵌固、首層鉸接），按規(guī)范計(jì)算側(cè)壁約取1.2m 厚度，且裂縫很難控制。計(jì)算模型及結(jié)果如圖2 所示。

圖2 常規(guī)方法計(jì)算側(cè)壁模型及內(nèi)力

按常規(guī)方案計(jì)算側(cè)壁底部彎矩較大，在控制裂縫寬度基礎(chǔ)上含鋼量較大，且鋼筋較密，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上還是施工便利性上都不是最優(yōu)選擇。

2.2 本文提出優(yōu)化方案

以最優(yōu)傳力路徑為出發(fā)點(diǎn)，提出采用超大扶壁柱及薄側(cè)壁形式進(jìn)行研究，側(cè)壁及扶壁柱組成T 型截面，受力性能較佳，由于扶壁柱剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于側(cè)壁抗彎剛度，土壓力及水壓力通過(guò)側(cè)壁傳力至扶壁柱。由于內(nèi)力集中在扶壁柱，扶壁柱底部產(chǎn)生較大彎矩，單靠底板無(wú)法抵抗此內(nèi)力，故提出可通過(guò)設(shè)置雙樁抵抗扶壁柱底部彎矩，具體提出計(jì)算模型如圖3 所示，通過(guò)設(shè)置扶壁柱，超高無(wú)支撐側(cè)壁及扶壁柱組成共同受力構(gòu)件，首層板及底板約束其平面內(nèi)水平變形，通過(guò)承臺(tái)設(shè)置雙灌注樁承擔(dān)扶壁柱底板超大彎矩，雙樁與承臺(tái)鉸接，樁僅約束其豎向變形，使其僅承受軸向力（壓力或拔力）。

圖3 本文方法計(jì)算模型示意圖

提出超長(zhǎng)側(cè)壁計(jì)算模型可按如下步驟簡(jiǎn)化進(jìn)行：（1）通過(guò)水壓力及土壓力導(dǎo)算荷載扶壁柱，側(cè)壁按單向?qū)Ш芍练霰谥ü蕚?cè)壁可按單向板進(jìn)行計(jì)算配筋）；（2）根據(jù)圖3 約束條件按單跨單獨(dú)計(jì)算扶壁柱截面及配筋等（可按上端單向固定鉸支座，下端固結(jié)進(jìn)行計(jì)算），根據(jù)計(jì)算結(jié)果可對(duì)扶壁柱進(jìn)行截面變化及配筋；（3）根據(jù)扶壁柱端部彎矩（傳至過(guò)渡承臺(tái)水平力由底板承擔(dān)）可計(jì)算承臺(tái)截面配筋及樁拉壓力大小，進(jìn)而設(shè)計(jì)抗壓樁及抗拔樁。

圖4 為扶壁柱及側(cè)壁平面圖，扶壁柱與相關(guān)范圍內(nèi)側(cè)壁形成計(jì)算單元（T 型截面），沿高度范圍內(nèi)可根據(jù)計(jì)算結(jié)果改變截面大小及配筋數(shù)量。經(jīng)計(jì)算，扶壁柱采用600mm×2800mm、側(cè)壁采用300mm～400mm、灌注樁采用φ1 000mm 可解決此問(wèn)題。

圖4 扶壁柱設(shè)置平面圖

利用灌注樁協(xié)調(diào)扶壁柱解決超高無(wú)內(nèi)支撐側(cè)壁的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用此項(xiàng)目取得了良好的效果，大大減少了側(cè)壁厚度，減少施工難度，綜合效益較高。

3 換撐方案研究

由于地下室側(cè)壁通高且地下室樓板大面積開(kāi)洞，對(duì)基坑進(jìn)行換撐帶來(lái)了挑戰(zhàn)，需綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及可利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同換撐。

本項(xiàng)目由于地下室通高無(wú)樓板，無(wú)法對(duì)基坑支護(hù)第二道撐提供換撐支撐，提出利用底板及扶壁柱進(jìn)行換撐。

圖5 所示為利用扶壁柱及底板換撐示意圖，施工順序?yàn)椋海?）待第二道支撐強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后，開(kāi)挖至設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高，及時(shí)施工墊層，按順序施工地下室底板、外墻及扶壁柱；（2）在底板上施工，如圖6 所示，混凝土反撐桿支座，在支護(hù)樁及扶壁柱間施工腰梁、架設(shè)圖5 中反撐桿；（3）待側(cè)墻、扶壁柱達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后，拆除第二道支撐及其腰梁；（4）繼續(xù)向上施工地下室外墻及扶壁柱直至完成地下室頂板主次梁及部分樓板；（5）待頂板主次梁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后，拆除反撐桿及第一道支撐；（6）完成地下室主體結(jié)構(gòu)。需要注意的是，在整個(gè)施工工序中，由于利用了扶壁柱，需復(fù)核扶壁柱的受力情況，當(dāng)拆除第二道撐時(shí)，扶壁柱受力情況如圖5 所示，經(jīng)復(fù)核，施工過(guò)程中扶壁柱滿足受力要求。

圖5 利用扶壁柱及底板換撐示意圖

圖6 反撐桿支座示意圖

在基坑設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)與主體結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合及協(xié)同設(shè)計(jì)，合理選擇受力體系，不僅節(jié)省施工工期，而且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，可為類(lèi)似項(xiàng)目提供參考。

4 有限元分析

由于扶壁柱及底板為永久性構(gòu)件，為了解扶壁柱體系、底板與換撐桿節(jié)點(diǎn)的受力性能及裂縫發(fā)展情況，對(duì)其進(jìn)行有限元分析?；炷帘緲?gòu)關(guān)系采用Hognestad 建議公式表達(dá)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，屈服準(zhǔn)則采用Mises 準(zhǔn)則。混凝土的等效應(yīng)力—應(yīng)變曲線在上升段取5 個(gè)點(diǎn)，下降段取2 個(gè)點(diǎn)，屈服壓應(yīng)變?nèi)?.002，極限壓應(yīng)變?nèi)?.0038，泊松比=0.2。混凝土采用ANSYS 中提供的Solid65 單元進(jìn)行模擬。節(jié)點(diǎn)模型的有限元網(wǎng)格采用映射網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的大小依據(jù)混凝土單元尺寸不宜小于50mm 的建議（本文取100mm）。

4.1 扶壁柱體系有限元分析

4.1.1 有限元模型及裂縫發(fā)展圖

為提高計(jì)算效率，樁根據(jù)剛度等效原則簡(jiǎn)化為矩形樁。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖7（a）所示。

圖7 扶壁柱體系有限元模型及發(fā)展圖

圖7（b）所示計(jì)算模型的裂縫發(fā)展情況，在實(shí)際荷載作用下，模型底部承臺(tái)顯示有裂縫出現(xiàn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，二樁承臺(tái)應(yīng)加強(qiáng)承臺(tái)箍筋配置。在實(shí)際荷載作用下其余位置未見(jiàn)裂縫發(fā)展。

4.1.2 有限元計(jì)算結(jié)果

圖8 為計(jì)算模型第一及第三主應(yīng)力圖，可看出扶壁柱體系在土壓力及水壓力作用下應(yīng)力分布。扶壁柱體系的拉應(yīng)力水平較小（最大1.29MPa），不超過(guò)混凝土（C35）抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，其應(yīng)力分布結(jié)果與上端固定、下端固結(jié)連續(xù)梁假定一致。在實(shí)際設(shè)計(jì)中可單獨(dú)將扶壁柱視為一連續(xù)梁構(gòu)件進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，也可不考慮側(cè)壁對(duì)扶壁柱剛度的貢獻(xiàn)，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)側(cè)壁縱筋進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)；對(duì)于過(guò)渡承臺(tái)，其內(nèi)部應(yīng)力數(shù)值較小，但應(yīng)注意扶壁柱對(duì)其局部壓力，尤其注意T 型端部對(duì)承臺(tái)懸挑段的劈裂作用；對(duì)于雙樁，其只承受拉壓力作用，在實(shí)際設(shè)計(jì)中可根據(jù)扶壁柱端部彎矩計(jì)算樁拉壓力。綜上，扶壁柱體系受力合理，能夠協(xié)同工作，在設(shè)計(jì)荷載作用下能滿足要求。

圖8 扶壁柱體系應(yīng)力圖

4.2 底板與換撐連接節(jié)點(diǎn)有限元分析

4.2.1 有限元模型

由于節(jié)點(diǎn)形態(tài)比較復(fù)雜，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分不規(guī)則，為了能使其進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，需對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作面切分。依照節(jié)點(diǎn)的形狀對(duì)底板及換撐桿進(jìn)行工作面切分，切分完畢后再進(jìn)行合并節(jié)點(diǎn)操作。劃分網(wǎng)格后模型如圖9 所示。

圖9 節(jié)點(diǎn)有限元模型

4.2.2 有限元分析結(jié)果

由圖10 可以看出，節(jié)點(diǎn)受壓時(shí)最大應(yīng)力約9MPa，小于混凝土抗壓強(qiáng)度，受拉應(yīng)力最大約為1.9MPa，小于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在撐桿與底板連接凹角處，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，底板此位置設(shè)置鋼筋網(wǎng)片，以避免出現(xiàn)裂縫。可見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)工作性能良好，受力性能滿足要求。

圖10 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力圖

5 結(jié)論

本項(xiàng)目根據(jù)場(chǎng)地限制及16.1m 深基坑條件，利用灌注樁協(xié)調(diào)扶壁柱解決超高無(wú)支撐側(cè)壁的設(shè)計(jì)，并采用鋼筋混凝土斜撐協(xié)調(diào)底板及扶壁柱進(jìn)行換撐的方案，得出結(jié)論如下：

（1）利用灌注樁協(xié)調(diào)扶壁柱解決超高無(wú)支撐側(cè)壁的設(shè)計(jì)方案可行。能大大減少側(cè)壁厚度和提高施工便利性，且將底部彎矩轉(zhuǎn)換為樁的拉力和壓力大大減少側(cè)壁和底板的配筋。

（2）采用鋼筋混凝土斜撐協(xié)調(diào)底板及扶壁柱解決深基坑換撐方案可行，換撐結(jié)構(gòu)受力清晰，能充分利用主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同工作。

（3）通過(guò)有限元分析可知，扶壁柱體系及換撐節(jié)點(diǎn)受力可靠，應(yīng)力水平及裂縫發(fā)展均滿足正常使用要求，局部應(yīng)力集中位置可通過(guò)構(gòu)造措施進(jìn)行加強(qiáng)。