半逆作法地下連續(xù)墻組合支護中立柱的設計

何 亮

(1.太原理工大學，山西 太原 030024; 2.太原市建筑設計研究院，山西 太原 030002)

半逆作法地下連續(xù)墻組合支護中立柱的設計

何 亮1，2

(1.太原理工大學，山西 太原 030024; 2.太原市建筑設計研究院，山西 太原 030002)

對半逆作法地下連續(xù)墻組合支護中立柱的設計進行了闡述，指出其應綜合建筑功能需求、施工工藝水平、支撐承重和差異變形、主體結(jié)構(gòu)設計等因素進行設計，并應滿足作為永久構(gòu)件的結(jié)構(gòu)與抗震設計。

半逆作法，地下連續(xù)墻，立柱，結(jié)構(gòu)設計

0 引言

半逆作法地下連續(xù)墻組合支護是指由滿足支擋及截水要求并作為地下建(構(gòu))筑物外圍護墻的地下連續(xù)墻與兼作支撐的部分主體結(jié)構(gòu)組成，先行實施豎向結(jié)構(gòu)(地下連續(xù)墻及立柱)，按照從基坑頂部向基坑底部的實施順序，依次將水平支撐結(jié)構(gòu)與豎向支撐結(jié)構(gòu)連接，形成完整安全有效的支撐系統(tǒng)的深基坑工程。

對于半逆作法地下連續(xù)墻組合支護的基坑工程其立柱的選型與建筑功能需求、施工工藝水平、支撐承受荷載和差異變形、主體結(jié)構(gòu)永久使用設計等因素密切相關。

目前山西利用該方法實施的基坑工程有：太原親賢北街梅園中心停車庫(鋼筋混凝土立柱)，山西煤炭中心醫(yī)院綜合樓(鋼管混凝土立柱)，山西萬豪廣場(型鋼格構(gòu)立柱)，太原紅星美凱龍家居生活廣場(抱插型鋼+鋼管混凝土立柱)等。

1 半逆作法地下連續(xù)墻組合支護中立柱的選型

作為半逆作法地下連續(xù)墻組合支護的基坑工程，其立柱的形式多為以下幾種：

1)鋼筋混凝土立柱。

立柱為與立柱樁等徑的鋼筋混凝土圓柱。其基底以下為鋼筋混凝土灌注樁，基底以上為內(nèi)支撐立柱。其設計應兼顧(一柱一樁)樁基承載力、支撐立柱承載力、立柱與水平梁節(jié)點的承載力以及將來作為主體結(jié)構(gòu)柱的抗震設計。這種形式的立柱與水平支撐(或基礎)的連接一般采用預埋柱帽鋼筋、水平鋼套環(huán)等方式。逆作施工時剔鑿量及難度均較大，梁柱連接處的界面處理技術(shù)質(zhì)量要求較高。但對于初次接觸逆作施工的總包單位來講該方法較容易掌握。

2)型鋼格構(gòu)立柱。

一般采用型鋼(角鋼)+綴板的鋼格構(gòu)組合方式，截面邊長介于420～480，角鋼一般采用4L160或4L180，材質(zhì)多為Q235B或Q345B。其插入立柱樁(鋼筋混凝土灌注樁)的深度一般為開挖面以下大于立柱邊長的4倍(一般取2 m～3 m)。該類型便于與水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接，也易于后期外扎鋼筋籠回灌混凝土修成主體結(jié)構(gòu)柱。節(jié)點連接方式成熟。

3)鋼管混凝土立柱。

采用圓形或矩形鋼管混凝土立柱，多數(shù)用于逆作區(qū)域存在主樓(高層或超高層)結(jié)構(gòu)柱或施工荷載較大、支撐道數(shù)較多的基坑工程。此種截面類型的立柱與水平梁板的連接一般采用鋼結(jié)構(gòu)環(huán)狀牛腿或鋼筋混凝土環(huán)梁。連接方式成熟，工藝技術(shù)要求相對較高。

4)型鋼組合立柱。

作為與立柱樁同時打入時一般采用滿足支護階段受力的鋼管混凝土截面或十字型鋼截面，由于在主體受力階段需滿足上部結(jié)構(gòu)鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)中芯柱的設計截面，需采取另外抱插、貼焊等二次組合的立柱截面類型，常見為鋼管混凝土與十字T型截面的組合、外套主體結(jié)構(gòu)大截面鋼管與先期鋼管混凝土立柱的組合等。

2 逆作法地下連續(xù)墻組合支護中立柱的分析與計算

立柱包括立柱(開挖面以上)和立柱樁(開挖面以下)。半逆作法地下連續(xù)墻組合支護的立柱與主體結(jié)構(gòu)柱相結(jié)合的設計時，應綜合以下幾方面：

1)應符合主體建筑使用功能的需求，立柱的截面及外包鋼筋籠形成主體柱的截面不應影響建筑平面布置；當因受力導致截面較大時，應增加臨時立柱分攤受荷。

2)立柱所受荷載應包括：支擋結(jié)構(gòu)傳來的荷載、地下結(jié)構(gòu)施工時的結(jié)構(gòu)自重及施工荷載、地下地上同時施工的應考慮所允許的地上結(jié)構(gòu)的自重及施工荷載、施工棧橋上的運輸荷載和堆載。

3)立柱(樁)的布置應與主體結(jié)構(gòu)工程樁的布置相協(xié)調(diào)，二者的平面位置應盡可能共用，并應滿足主體結(jié)構(gòu)對其承載力的要求。一般采用一柱一樁的布置方式。當單根立柱(樁)不能滿足基坑工程施工階段的受力與變形要求時，應在該立柱(樁)附近增設臨時立柱(樁)。

4)根據(jù)基坑工程施工階段受力以及主體結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)的設計要求，立柱可采用前述幾種形式。立柱樁一般采用灌注樁。

5)立柱應按偏心受壓構(gòu)件進行受力和變形計算與驗算，立柱樁應進行單樁豎向承載力與沉降變形的計算和驗算。兼做主體結(jié)構(gòu)的立柱(樁)的設計還應滿足現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設計標準。

6)立柱與水平支撐結(jié)構(gòu)的連接，應設計有抗剪鋼筋、栓釘或鋼牛腿等便于施工的有效抗剪構(gòu)造。

立柱由于前后經(jīng)歷基坑支護承載力極限狀態(tài)和主體結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)，設計時應將上述兩種狀態(tài)的受力分析進行統(tǒng)一歸并和包絡設計。

兼作主體結(jié)構(gòu)的立柱，應考慮垂直度允許額垂直度偏差對豎向荷載偏心的影響，并按雙向偏心受壓構(gòu)件設計。當水平內(nèi)支撐體系同時為結(jié)構(gòu)水平梁板時，可假定其平面內(nèi)剛度無限大，立柱無水平位移。

基坑工程實施過程中，豎向支撐(立柱與地下連續(xù)墻)與水平內(nèi)支撐共同組成的空間結(jié)構(gòu)體系，承受各工況土水的作用及施工荷載。立柱水平位移由兩部分組成：一部分由土水作用下支擋體系的變形；另一部分是剛體位移，即在基坑工程實施過程中，基坑側(cè)壁上荷載隨施工工況發(fā)生的。剛體位移導致基坑側(cè)壁內(nèi)力重分布。因此在考慮剛體位移時一般采用有限元建模，通過計算機計算，但計算出來的結(jié)果往往容易出現(xiàn)異常，實施前應根據(jù)經(jīng)驗進行復核。建議結(jié)合結(jié)構(gòu)設計軟件對比計算分析。在不考慮剛體位移時，可采用簡化計算。目前用于基坑整體設計的軟件較多，須結(jié)合當?shù)亟?jīng)驗確定合理計算參數(shù)，著重分析和判斷軟件結(jié)果輸出的合理性，萬不可機械套用軟件結(jié)果設計。

對于支撐道數(shù)較少或受力較小的立柱一般可采用型鋼格構(gòu)立柱，其截面受壓承載力可參照現(xiàn)行GB 50017鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范按照兩端簡支的雙向偏心受壓構(gòu)件計算，計算中偏心值按照計算長度范圍內(nèi)1/200偏心量取用。其常用規(guī)格和承載力可參閱晉14G03建筑基坑支護構(gòu)造詳圖相應表格進行選用。

對于多道支撐且施工荷載復雜的立柱建議采用鋼管混凝土立柱或型鋼組合立柱。其截面受壓承載力可參照現(xiàn)行GB 50010混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范進行估算和計算。

無論采用何種形式的立柱，其與水平構(gòu)件連接節(jié)點須進行詳細的節(jié)點設計，尤其對于施工棧橋和堆載較大的結(jié)構(gòu)板與型鋼格構(gòu)立柱連接處須另設抗剪托板。

立柱樁的樁端持力層的選擇較計算控制更注重的是概念設計。樁端持力層不僅制約樁端阻力而且影響側(cè)阻力的發(fā)揮。事實上，選擇壓縮性較低的樁端持力層并采取后注漿工藝，立柱樁增強效果相當明顯。對于立柱樁，除滿足前述兩種狀態(tài)的受力，更重要的是始終保持原有的設計計算假定與實際受力模型的統(tǒng)一。而要保持這種統(tǒng)一必須滿足立柱(樁)與地下連續(xù)墻的變形協(xié)調(diào)，也就是二者不可產(chǎn)生較大的差異沉降，其值限制在1/400柱距以內(nèi)，并不超過20 mm。

3 半逆作法地下連續(xù)墻組合支護中立柱的施工及連接設計

立柱樁一般采用鋼筋混凝土灌注樁。立柱吊放與安裝應通過有效機械裝置保證平面定位和垂直度(帶有定位系統(tǒng)的長距固定送樁鋼支架，可有效避免樁體在安放和重力澆灌混凝土時立柱的跑位，并應按要求延長固定時間)。對型鋼格構(gòu)立柱、矩形鋼管混凝土立柱尚應同時控制轉(zhuǎn)向偏差；成樁吊放立柱過程中應采取合理的保護措施，確保整體加工制作的抗剪件不被損傷，并確保吊放過程中，立柱的垂直度滿足設計要求；立柱與主體結(jié)構(gòu)柱共用時，平面定位的允許偏差為±10 mm之間，垂直度應控制在1/300。

立柱樁返漿高度以上的樁孔應采用碎石密實回填，并留設注漿管進行注漿填充；在基坑開挖時視主體框架柱實施的順序剔除負孔灌填部分。支護工況下在滿足立柱豎向承載力的前提下，為提高格構(gòu)截面的穩(wěn)定性，負孔灌填部分可先不剔除。

基坑開挖過程中，立柱受力狀態(tài)下如需進行焊接操作，相應位置應預先設置襯板進行隔離。

對于開挖高度過大(一般凈高大于5 m)，為保證鋼格構(gòu)立柱的穩(wěn)定性，應施加贅余約束，在不影響土方清運的方向上布置柱間支撐，柱間支撐一般也采用型鋼。柱間支撐的拆除應在該層立柱完成向主體結(jié)構(gòu)柱轉(zhuǎn)變的過程中具有80%強度后。

水平支撐(主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件)與立柱連接的設計應按照豎向構(gòu)件為立柱和主體結(jié)構(gòu)柱兩種狀態(tài)進行相應的受力分析和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，有抗震設計要求的，尚應滿足現(xiàn)行GB 50011建筑抗震設計規(guī)范的規(guī)定。梁柱節(jié)點處的相應的錨固長度起算位置也應依據(jù)上述兩種狀態(tài)，在設計文件中予以明確。

一般工程采用的是角鋼格構(gòu)立柱，例如太原中醫(yī)醫(yī)院、山西亞泰圣景科貿(mào)廣場、國網(wǎng)山西電力太原供電地下車庫等，這樣的立柱便于后期外包鋼筋籠的穿越及混凝土的澆筑，水平框架梁鋼筋也比較容易穿過，對于個別鋼筋穿越是確實無法避免的綴板，經(jīng)驗算或采取其他加固措施后可以板上開洞或切掉部分綴板。

對于立柱采用鋼筋混凝土、鋼管混凝土、型鋼組合立柱的梁柱連接一般采用預置柱帽留筋、預埋鋼套環(huán)、鋼筋混凝土環(huán)梁、鋼環(huán)牛腿等方式。

當立柱平面施工偏差超標，或受條件制約移位施工，對支護結(jié)構(gòu)體系的偏心應按照實際平面定位進行空間三維分析計算與驗算。對于因偶然意外因素引起的基坑搶險狀態(tài)也應以此進行動態(tài)設計。

半逆作法地下連續(xù)墻組合支護是一個集巖土工程和結(jié)構(gòu)工程于一身的系統(tǒng)工程，其設計與施工要求對這兩個領域均要有較深的認識和經(jīng)驗。

[1] 何 亮，侯國彬，豐紅彥.太原親賢北街梅園中心停車庫基坑支護設計(基礎工程實例3)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[2] JGJ 120—2012，建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].

[3] JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[4] DG/TJ 08—61—2010,基坑工程技術(shù)規(guī)范[S].

[5] DBJ 04/T306—2014,建筑基坑支護技術(shù)規(guī)范[S].

[6] DBJ 04/T315—2015,灌注樁后注漿技術(shù)規(guī)程[S].

[7] JGJ 165—2010,地下建筑工程逆作法技術(shù)規(guī)程[S].

Designofcolumnpileofcompositionalretainingandprotectionforexcavationsofdiaphragmwallwithpartialtop-downconstructionmethod

HeLiang1,2

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.TaiyuanInstituteofArchitectureDesignandResearch,Taiyuan030002,China)

As the column pile of compositional retaining and protection for excavations of diaphragm wall with partial top-down construction method, which should be designed according to the requirements of building function, construction technology level, support bearing and differential deformation, main structure design, etc.. The structure and seismic design of permanent components should be satisfied.

partial top-down construction method, diaphragm wall, column, design of composite structures

2017-10-08

何 亮(1971- )，男，在讀工程碩士，高級工程師

1009-6825(2017)35-0050-02

TU476.3

A