局部逆作法施工的支撐體系設計與軸力監測

高德元 楊皓東， 李茂友 涂剛要

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

0 引言

隨著現代社會的快速發展，建筑工程的工期和資源控制要求越來越高，逆作法施工技術以其縮短工期、節約成本等優點得到越來越廣泛的應用[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，其構造往往會影響施工的安全、質量及經濟性等要素。

本文以某工程局部逆作法施工為例，對支撐體系結構進行計算和軸力監測，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，小區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柱，既是臨時支撐，又作為地下室永久框架柱的鋼骨。在基坑支護樁和主體結構之間設置水平鋼支撐作為先期地下結構，有效形成逆作法完整的水平傳力體系，如圖1所示。

圖1 豎向支撐格構柱和水平鋼支撐

2 豎向支撐格構柱施工階段的設計

2.1 計算模型

在設計豎向支撐柱之前，首先確定單柱的負載面積，在每個方向取左右相鄰柱子間距的平均值，根據工程實際得出邊長均為9 m,負載面積為81 m2。格構柱簡化為一端鉸接、一端固接的軸心受壓構件進行計算，計算模型如圖2所示。

圖2 豎向支撐格構柱計算模型

2.2 最不利工況的確定和荷載計算

該工程有兩個不利工況，如圖3所示，最不利工況，一為基坑開挖至負二層頂板下1.5 m處，此時地上施工至一層；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承受的上部荷載為：①地上一層結構總重(361.2 kN)和地上一層結構梁板的施工荷載(按2 kPa考慮)；②地下室首層結構梁板自重(410.4 kN)和地下室頂板施工機械、人員荷載等效施工均布活荷載為2.5 t/m2)；③地下一層結構頂板自重(410.4 kN)和地下一層頂板的施工荷載(按2 kPa考慮)。根據荷載規范要求考慮恒、活荷載的分項系數、腳手架的重量，經過荷載組合后，計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，計算得出最不利工況二時單柱需承受的最大軸力值為5383 kN。

2.3 計算長度的確定

已完成的最下層地下水平結構至挖土面的距離H取3.65 m(負二層凈高和負二層底板高度之和)，一端固定一端鉸支的計算長度系數取0.7，此時豎向支撐柱的計算長度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，考慮施工的實際情況，將軸心壓力設計值放大到6000 kN，采用Q355鋼材，格構柱邊長初定為b×b=500 mm×500 mm，如圖4所示。

圖4 格構柱截面圖

2.5 綴板設計

2.6 綴板強度驗算

根據《鋼結構設計原理》[6]，綴板剪力：

2.7 整體穩定性驗算

式中，Ix為x軸截面慣性矩，A0為單角鋼截面面積，b為格構柱邊長。經計算，格構柱的主肢長細比λ=3.46,格構柱分肢對最小剛度軸1-1的長細比λ1=10.18。

2.8 插入長度驗算

式中，l為插入立柱樁的長度，根據工程實際情況取4000 mm，K為安全系數，fc為混凝土的軸心抗壓強度設計值，L為立柱斷面的周長，σ為粘結設計強度，如無試驗數據，可近似取混凝土的抗拉設計值ft。

2.9 其他構造措施

為保證格構柱的臨時穩定，在格構柱施工結束后，往里面填充C15混凝土，待基坑開挖時，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，要考慮梁柱節點處豎向力的傳遞，故在格構柱上設置栓釘。格構柱鋼板影響梁縱筋貫通，為使梁柱節點處的鋼筋全部穿過格構柱，在梁節點處加腋處理。

3 立柱樁的設計

在逆作施工時，底板澆筑之前，結構自重、施工荷載均由格構柱承擔，格構柱再將荷載傳遞給灌注樁。由上文可知，格構柱承受的最大軸力值為5383 kN，再根據地勘報告地基設計參數，建議值初選長25 m、直徑1000 mm的鉆孔灌注樁。

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)[7]，單樁的豎向極限承載力計算公式:

Quk=Qsk+Qpk=u∑ψsiqsikli+ψpqpkAp

式中，Qsk為總極限側力阻標準值；Qpk為總極限端阻力標準值；qsik為樁側第i層土極限側阻力標準值；qpk為樁徑為1000 mm的極限端阻力標準值；ψsi、ψp為大直徑樁側阻力、端阻力尺寸效應系數；u，根據地勘報告基礎設計參數建議值確定為樁身周長，取3.14 m；Ap為樁端面積，取0.875 m2。

經過計算，單樁的豎向極限承載力Quk=11 167 kN。

考慮安全系數后，單樁的豎向承載力特征值Ra=5584 kN，滿足要求。

4 水平鋼支撐的設計

逆作法施工期間，為了將支護樁承受的水平荷載傳遞到主體結構，形成完整可靠的水平傳力體系，遂在支護樁和主體結構之間設置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 計算模型

取單根鋼支撐作為研究對象，支撐的一端與主體結構的支撐柱澆筑在一起，形成剛性接頭；另一端通過預埋件鋼板連接后與圍檁澆筑在一起，也形成剛性接頭。故水平支撐的計算模型可以簡化為固支梁模型，基坑側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，將計算長度設為4.5m，計算模型如圖6所示。

圖6 水平鋼支撐計算模型

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，鋼材的抗壓強度設計值f=295 N/mm2，截面面積A=214.54 cm2,回轉半徑ix=17.45cm，回轉半徑iy=10.22 cm。

4.3 水平鋼支撐內力計算

根據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120-2012)[8]，水平鋼支撐對排樁的作用力，可按下式計算得出:

Fh=kR(vR-vR0)

式中，Fh為擋土構件計算寬度內的彈性支點水平反力；kR為計算寬度內的彈性支點剛度系數；vR為擋土構件在支點處的水平位移值。vR0為設置支點時，支點的初始水平位移值，取0；λ為支撐不動點調整系數，取0.8；αR為支撐松弛系數，取0.8；E為支撐材料的彈性模量，取2.06×105kPa；ba為結構計算寬度，取0.4 m，l0為受壓支撐構件的長度，取4.5 m；s為支撐的水平間距，取4.5 m。

運用理正深基坑7.0軟件對該工程基坑進行建模分析，該基坑采用三排樁支護結構，軟件簡化為雙排樁支護結構，得出水平鋼支撐支點處在基坑開挖到底時的最大位移值為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。再根據規范在此基礎上乘以系數1.37，得到鋼支撐的軸力設計值2437 kN。

4.4 截面驗算

根據《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)[4]對水平鋼支撐進行截面驗算。

4.5 整體穩定性驗算

4.6 其他構造措施

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時，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，在水平鋼支撐上焊接栓釘，加強水平鋼支撐與混凝土的連接強度，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測

為確保在施工時能夠及時發現土體、圍護結構發生的異常，有針對性調整施工方案。該工程在土體結構施工以及基坑開挖階段，對水平鋼支撐進行軸力監測。水平鋼支撐的軸力監測，選用應變計附著在首層四道鋼支撐上，實時監測支撐軸力的變化，監測數據如圖7和表2所示。

圖7 水平鋼支撐軸力變化圖

表2 水平鋼支撐荷載監測結果 kN

從監測數據可以看出，支撐軸力有兩個峰值點，分別對應地下一層和地下二層土方開挖時的工況。開挖地下二層時的支撐軸力大于開挖地下一層時的支撐軸力，且均小于水平鋼支撐的設計值。4種工況下監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，表明基坑結構穩定，水平鋼支撐有效發揮作用，充分說明水平鋼支撐布置合理、設計安全。

6 結論

(1)在逆作法采用格構柱作為豎向支撐柱的情況下，設計時應該充分考慮綴板的穩定性。綴板的間距直接影響格構柱的整體穩定和分肢穩定，間距過小用鋼量增加，間距過大則有安全隱患。

(2)該工程格構柱插入灌注樁的深度遠大于驗算插入深度。類似的工程在設計插入長度時，要遵循規范，且應具體情況具體考慮，可適當地縮短插入長度。樁端阻力是不可忽視的一部分承載力。在計算灌注樁豎向承載力時，要考慮樁端阻力和樁側阻力的合力作用。

(3)水平鋼支撐作為逆作法水平支撐系統的重要組成部分,在設計時,可將復雜的空間問題簡化為二維平面問題。支撐軸力有兩個峰值點，分別對應地下一層和地下二層土方開挖時的工況，且開挖地下二層時的支撐軸力大于開挖地下一層時的支撐軸力。施工時應該重點保證這兩個工況的施工安全。