預應力張弦梁支撐的受力性能分析

曾紅生

(寧都縣住房保障安置服務中心，江西 寧都 342800)

近年來，隨著城市建設的發展，深基坑開挖數量也越來越多。內支撐排樁支護結構由于對周邊環境適應性強、施工方便以及能夠較好的確保基坑的穩定性與安全性，被廣泛地應用于深基坑支護工程中[1]。由于傳統內支撐的立柱較多，對施工影響較大，采用預應力張弦梁支撐方式對深基坑進行支護，可以有效減少支撐立柱的數量[2]。本文擬對某公共建筑基坑的預應力張弦梁支撐方式進行受力性能分析。將研究結果作為施工依據，也為類似基坑的計算提供參考。

1 工程概況

某基坑(如圖1所示)支護設計基坑總面積為1 719 m2，總延長米為176.8 m，基坑深8.6 m，根據場地標高、周邊環境及地層情況不同，總體采用灌注樁+鋼支撐+高壓旋噴樁進行支護。現場地質情況按地層堆積時代、成因、名稱分類，場區自上而下依次劃分為：粉質黏土素填土、雜填土、耕土、粉質黏土、中砂、淤泥質粉質黏土、粗砂、礫砂、圓礫、強風化泥質粉砂巖、中等風化泥質粉砂巖。基坑設計水位標高為15.00 m。

本工程基坑支護采用預應力鋼支撐的支護方式。基坑角部設置鋼桁架角撐。鋼桁架角撐之間的水平支撐結構采用24 m的預應力張弦梁。該預應力張弦梁采用Q650級鋼拉桿作為下弦，與對撐組合成自平衡體系共同抵抗作用在冠梁上的土壓力。通過安置在對撐、斜撐和張弦梁腹桿上的千斤頂來調節鋼支撐平衡體系的張緊程度而限制支護結構的變形。此支撐系統中鋼桁架支撐和預應力張弦梁采用裝配式施工，具有快速裝卸、循環使用、綠色環保等優點[3]。

2 計算模型

采用有限元軟件SAP2000 V21軟件進行空間模型分析。

2.1 材料

鋼材：Q235B,Q345B，預應力鋼棒材料Q650級，其材質應分別符合現行國家標準的有關規定。

焊接材料：手工焊焊條E5015系列，埋弧焊用焊絲F5014-H08MnA氣保焊用焊絲ER50-3，其材質應分別符合現行國家標準的有關規定。

2.2 截面信息

張弦梁鋼支撐構件截面表、三維空間模型及結構平面布置圖見表1，圖2，圖3。

表1 張弦梁鋼支撐構件截面表

2.3 基坑荷載信息

施加預應力如圖4所示。土壓力荷載分布如圖5所示。本工程考慮在使用過程中按升溫30 ℃計算溫度應力(如圖6所示)。

上述工況采用非線性逐級分析，第一工況從零初始應力狀態開始，第二工況從第一工況非線性分析終點狀態開始，第三工況從第二工況非線性分析終點狀態開始。模擬施工全過程如圖4～圖6所示。

2.4 荷載組合

通過以上施工過程的分析，定義下面幾個組合用于分析和驗算鋼支撐的剛度、強度和穩定性及基坑變形。

組合一：1.20×恒載+1.0×預應力荷載+1.25×土壓力+1.4×活載。

組合二：1.20×恒載+1.0×預應力荷載+1.25×土壓力+1.0×升溫荷載+1.4×活載。

組合三：1.0×恒載+1.0×預應力荷載+1.0×土壓力+1.0×活載。

組合四：1.0×恒載+1.0×預應力荷載+1.0×土壓力+1.0×升溫荷載+1.0×活載。

上述組合中，組合一及組合二用于驗算鋼支撐的強度和穩定，組合三至組合四用于控制基坑變形。

3 基坑內力位移計算結果

構件編號如圖7所示。

3.1 內力

組合一及組合二作用下，鋼支撐的構件內力最大值和最小值如表2所示。

表2 鋼支撐單元的內力

3.2 位移

本工程以冠梁最大變形位移30 mm為控制值。在冠梁處選取了位移最大的10個控制節點如圖8所示，控制節點的位移如表3，表4所示。

表3 組合三冠梁控制節點位移表 mm

表4 組合四冠梁控制節點位移表 mm

各組合工況下冠梁最大位移為第三組合節點，節點號13的位移為27.3 mm<30 mm，滿足位移控制要求。

4 基坑設計驗算結果

驗算結構正常工作狀態下構件的強度和穩定應力比，并取相應的包絡值如圖9所示(結構重要性系數：1.10，需求/能力比例限值：0.95)。

5 結論

本文采用SAP2000 V21較為準確的分析了預應力張弦梁支撐的受力性能，得出以下結論：

1)鋼支撐的內力滿足規范要求。

2)在預應力張弦梁支撐作用下，基坑的支撐節點的位移小于30 mm，滿足位移控制要求。

3)支撐結構正常工作狀態下構件的強度和穩定應力比為0.95，滿足控制要求。

從結果看，基坑支撐的整體受力水平均滿足我國現行的相關規范要求。通過對基坑預應力張弦梁支撐的受力性能分析，為基坑支護的施工提供理論數據，也為同類基坑支護的設計提供參考。