鋼支撐預加力對圍護結構內力的影響分析

洪德海

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司, 北京 100055)

隨著基礎設施建設的大規模開展,深基坑工程大量涌現,各種支護形式也在不斷發展和完善。當前,圍護墻加內支撐這一支護形式應用十分廣泛,特別是在地鐵工程中，如無特殊情況一般都采用這種形式。內支撐形式一般有混凝土支撐和鋼支撐兩種。鋼支撐由于施工方便，架設拆除快速，可以反復使用等而成為內支撐優先考慮的支撐形式。而在鋼支撐的計算和施工中,支撐預加軸力的施加對支護結構的受力變形起著重要作用。

1 施加預加軸力對圍護結構的作用

支撐預加力可減少支護結構的位移值,這是因為向支撐施加預加力可使支撐緊抵支護結構從而消除支護結構的松弛。此外，向支撐施加預加力還可減少開挖時在土體內積聚起來的剪應力,這意味著土體的應力應變關系得到改善,進而減少位移量。支撐預加軸力的大小取決于地質和施工條件,日本曾規定施加預加軸力應相當于靜止土壓力值,因為這樣能使墻體變位最小。過大的預加軸力則效果不明顯,因為太大的預加軸力值會導致支護結構外向位移,反而損壞鄰近建筑或地下管線。

與鋼支撐相比,混凝土支撐只有當混凝土的壓縮變形到一定程度后才能顯示出其截面抗力優勢,并且混凝土支撐需要很長的養護期才能滿足支撐受力要求；在這段時間內圍護結構會發生很大變形,對周圍環境可能已經產生不利影響。

2 預加軸力的合理施加量

由計算分析可知,鋼支撐達到極限穩定承載力時,理論軸向最大變形只有13～15 mm,但實際施工過程中觀測到的圍護結構變形比這個值大許多,往往到18～35 mm。分析產生這么大差異的主要原因是：

①圍護結構之間有間隙。鋼圍檁與圍護墻之間存在縫隙,有的可達5～10 mm。現場觀測可知,只有鋼支撐、鋼圍檁、圍護墻之間無間隙時，它們之間的力才能很好的傳遞,而這一過程都是以犧牲圍護結構變形為代價的。如果不消除支護系統的松弛，消除鋼支撐和圍檁之間的間隙,圍護結構變形很難得到有效控制,而這一要求的實現依賴于鋼支撐預加軸力施加的效果。

②鋼圍檁在受力狀態下會有變形和位移。開挖作用對基坑周圍地層的力學狀態及其影響是不可忽略的,雖然不可能在設計中完全考慮這種影響,但是對開挖作用所產生的影響做出正確的估計卻非常必要。

因此，確定預加軸力值時需根據施工中的具體情況合理施加。

《建筑基坑支護技術規程(JGJ 120—99)》4.5.4規定：支撐預加力值不宜大于支撐力設計值的0.4～0.6倍。

鋼支撐預加壓力的施工應符合下列要求：

①支撐安裝完畢后,應及時檢查各節點的連接狀況,經確認符合要求后方可施加預加力,預壓力的施加應在支撐的兩端同步對稱進行。

②預壓力應分級施加,重復進行,加至設計值時,應再次檢查各連接點的情況,必要時應對節點進行加固,待額定壓力穩定后鎖定。

《上海市基坑工程設計規程(DBJ08—61—97)》規定：預加力對支撐結構的影響與設計采用的預壓力控制值大小有較大關系,而目前支撐結構所施加的預壓力控制值一般都小于支撐軸力設計值的60％,其主要作用是對圍護墻體產生適量的預頂力,同時檢驗支撐連接結點的可靠性,通常不考慮其對支撐內力影響。

預壓力應分級施加,重復進行。一般情況下,預壓力控制值不宜小于支撐設計軸力的50％,但也不宜過高。當預壓力控制值取用支撐設計軸力的80％以上時,應防止圍護結構的外傾、損壞和對坑外環境的影響。

鋼支撐施加預加軸力的作用機理是利用鋼材輕質、高強、理想彈塑性材料特性,預先給鋼支撐施加一定軸力,來抵抗基坑側向土壓力,從而達到控制基坑變形效果。從對鋼支撐施加預加軸力的作用機理可以看出,只有給鋼支撐施加合理的預加軸力值才能起到良好支護效果,數值不合理效果就難以達到。但科學合理的鋼支撐預加軸力究竟怎樣選取尚無科學的依據。目前采用鋼管支撐作為圍護結構對撐的地鐵深基坑工程,對于鋼支撐的預加軸力往往都是由設計人預先規定的。

本文擬對比分析多種預加軸力加載方案對擋墻位移、內力,支撐軸力的影響,從而合理確定工程中的實際加載方案。

3 實例分析

某地鐵車站深基坑工程,總長502.2 m,標準段寬21.4 m,基坑深為17.5 m。工程場地土層依次為人工填土、粉質黏土、中砂、礫砂、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖。地下水埋深6.6 m。巖土物理力學參數取用值見表1。

圍護結構選用800 mm地下連續墻,三道支撐,一道鋼筋混凝土撐,兩道鋼支撐,見圖1。

表1 巖土物理力學參數

圖1 圍護結構模型(單位：m)

計算結果如表2所示。

表2 預加軸力加載方案對擋墻變形受力的影響計算

由計算結果可看出,預加軸力為設計軸力的40％～80％時,墻身最大彎矩和最大剪力處于相對比較小的狀態,最大位移隨著預加軸力的增大而減小；當預加軸力大于90％設計軸力時,墻身出現反向位移,彎矩和剪力也增大。考慮到鋼管的極限穩定承載力,預加軸力可取設計軸力的40％～60％。

從上述結果還可看出,(1)給鋼支撐施加預加軸力是減少圍護結構變形的有效措施。(2)隨著預加軸力的增大,樁身彎矩和剪力基本上也逐漸增大。(3)施加預加軸力大小對鋼支撐最終軸力沒有太大影響。

4 結束語

本文論述了鋼支撐預加軸力對支護結構的作用及機理,預加軸力的合理施加,最后通過實例對比分析了多種預加軸力加載方案對擋墻位移、內力,支撐軸力的影響。得出結論：(1)給鋼支撐施加預加軸力是減少圍護結構變形的有效措施。(2)隨著預加軸力的增大,樁身彎矩和剪力基本上也逐漸增大。(3)施加預加軸力大小對鋼支撐最終軸力沒有太大影響。(4)考慮到鋼管的極限穩定承載力,預加軸力可取設計軸力的40％～60％。

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