型鋼組合支撐的工程應用與有限元分析

戎玉輝，余振錫，謝潘想

(安徽工業大學 建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243002)

0 前 言

鋼材作為一種綠色，環保，可重復利用的新型建材已經成為大勢所趨，隨著我國城鎮化的不斷深入和建筑行業的安全標準不斷提升，對鋼材的使用要求也越來越重視，根據海關總署公布的數據顯示，2020年9月份，我國進口鋼材288.5萬t，同比增長159.9%，1～9月我國累計進口鋼材1 507.3萬t，同比增長72.2%，已經超過去年全年的進口總量，裝配式H型鋼組合內支撐整體結構(見圖1)由不同尺寸的H型鋼通過高強螺栓連接而成，包括型鋼立柱，型鋼圍檁，預應力加壓裝置，八字撐，角撐和對撐，目前國內已經有很多學者對裝配式H型鋼組合支撐在基坑工程中的應用進行了研究[1-2]，本文依托于馬鞍山某地下停車庫基坑工程對裝配式H型鋼組合支撐的現場檢測與有限元模擬進行研究。

(a)對撐

1 工程概況

馬鞍山行政服務中心地下停車庫基坑工程位于安徽省馬鞍山市，鐘山路與青郵路交叉口西北角，該基坑工程南北長約160 m，東西寬約75 m，開挖深度約6.1～7.9 m，圍護結構使用鋼板樁+H型鋼簡稱HUC組合支護結構[3],內支撐體系使用裝配式H型鋼組合支撐體系，基坑西側為公園皇甫小區，距離第一排房屋面積約為15 m，房屋高度約為55 m，危險系數較高，北側、東側、南側分別為政務中心停車場，青郵路，鐘山路，危險系數較低。基坑工程支撐平面布置圖見圖2，需開挖的土層狀態見表1。

圖2 基坑工程支撐平面布置圖

表1 需開挖的土層狀態表

現場的監測內容包括裝配式H型鋼組合支撐軸力監測、支護結構水平位移監測、支護結構豎向位移監測，分別采用振旋式頻率讀數儀、高精度全站儀極坐標法、二等幾何水準測量法進行監測，本次監測自2020年10月25日到2020年12月1日，共監測30次，累計水平位移量最大值測點4為19.84 mm,累計豎向位移量最大值測點10為6.39 mm，裝配式H型鋼組合支撐軸力監測次數為12次，內支撐軸力最大值增量N8為143.77 kN，從監測數據結果來看裝配式H型鋼組合支撐軸力隨著土方開挖量的增加而逐漸增大，在內支撐未完全閉合前，支護結構在水平和豎向的位移隨著土方開挖量的增加也明顯增大，所以在土方未完全開挖前，應做好應對措施，采取分塊開挖的方式，邊開挖邊對底板混凝土進行澆筑。

2 數值模擬分析

對于該基坑工程的有限元分析，幾何模型的總尺寸為

230 m×185 m×30 m，周邊地面超載取20 kPa，周邊建筑物層數及荷載作用位置按實際情況考慮，每層建筑物的附加荷載按10 kPa考慮，支護結構的本構模型采用線彈性模型，將鋼板樁+H型鋼組合支護結構等效為地下連續墻[4],基本理論是虎克定律,應力應變呈線性關系

{σ}=[D]{ε}

(1)

式中，[D]為彈性矩陣。

在基坑工程中采用Mohr—Coulomb彈塑性本構模型，實際上就是線彈性模型加上Mohr—Coulomb破壞準則[5]，它是一種理想性的彈塑性模型，不僅考慮了虎克破壞準則，而且有土體剪脹性以及剪切屈服應力等，裝配式型鋼組合支撐模擬采用尺寸為400 mm×400 mm×16 mm×25 mm多根型鋼組合而成。其內支撐軸力圖、水平、豎向位移圖見圖3。

(a)內支撐軸力圖

從數值模擬分析結果來看，該基坑工程水平方向最大位移為21.89 mm，比實際監測數據19.84 mm多出2.05 mm，結果相差在允許范圍內，在豎直方向的最大位移為10.98 mm比實際監測結果6.39 mm多出4.59 mm，內支撐最大軸力為2.08×103kN與N8軸的基礎軸力加上最大軸力增量相差不大，所以該裝配式型鋼組合支撐模擬結果只能為實際的基坑工程起指導作用。

3 結 論

1)裝配式H型鋼組合內支撐作為一種新型水平內支撐體系，是由不同尺寸的H型鋼通過高強螺栓連接而成，相較于傳統鋼筋混凝土內支撐和單桿鋼內支撐，具有可循環利用，對環境污染小，剛度比較大，明顯縮短工期等優點。

2)隨著土方開挖量的增加，裝配式型鋼組合內支撐軸力也逐漸增大，水平和豎向位移也明顯增多，所以在土方完全開挖前應做好應對措施，采取分塊開挖，對已經開挖完成的模塊進行澆筑底板混凝土澆筑。

3)通過監測結果與模擬結果對比分析，裝配式H型鋼組合支撐應用于基坑工程中均趨于安全狀態，結合其綠色環保，可循環利用等優點，應用前景十分廣闊。

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