超高無內(nèi)支撐側壁的設計方法研究及應用

陳林 劉春艷

0 引言

傳統(tǒng)側壁通常設計成連續(xù)梁模型，下端固結，上端鉸接，并將各層樓板視為側壁水平支點，此方法計算簡便可靠。但當?shù)叵率腋鳂菍哟竺娣e開洞造成側壁無水平支撐時，采用此方法計算側壁其經(jīng)濟性已不適用。本文以某一實際工程為例，探討采用灌注樁協(xié)調(diào)扶壁柱解決超高無內(nèi)支撐側壁的設計方案，即通過扶壁柱使側壁單向導荷，并采用灌注樁抵抗扶壁柱超大彎矩，最后設置鋼筋混凝土斜撐協(xié)調(diào)底板及扶壁柱解決深基坑換撐的方案，施工周期、經(jīng)濟性等各項技術指標明顯提高。

1 工程概況

擬研究對象為某研究院研發(fā)大樓，總建筑面積約40 000m，地上7層，地下3層，局部4層。地上建筑主要功能為廠房車間（丙類廠房），地下建筑主要功能為機動停車庫，部分功能為車間及設備房。采用框架結構體系。如圖1 所示，由于地下室設置大型風洞實驗室，造成地下室三層通高無樓板，地下室開洞造成側壁無支長度達到16.1m，為側壁設計帶來一定難度。本文通過對比分析超高無內(nèi)支撐側壁設計方法及由此帶來的基坑支護問題，為類似工程提供參考。

圖1 地下室平面圖及剖面圖

2 側壁設計方案

2.1 常規(guī)設計方案

按常規(guī)方法設計側壁，首層樓板及底板提供對側壁水平支撐（底板嵌固、首層鉸接），按規(guī)范計算側壁約取1.2m 厚度，且裂縫很難控制。計算模型及結果如圖2 所示。

圖2 常規(guī)方法計算側壁模型及內(nèi)力

按常規(guī)方案計算側壁底部彎矩較大，在控制裂縫寬度基礎上含鋼量較大，且鋼筋較密，無論從經(jīng)濟上還是施工便利性上都不是最優(yōu)選擇。

2.2 本文提出優(yōu)化方案

以最優(yōu)傳力路徑為出發(fā)點，提出采用超大扶壁柱及薄側壁形式進行研究，側壁及扶壁柱組成T 型截面，受力性能較佳，由于扶壁柱剛度遠遠大于側壁抗彎剛度，土壓力及水壓力通過側壁傳力至扶壁柱。由于內(nèi)力集中在扶壁柱，扶壁柱底部產(chǎn)生較大彎矩，單靠底板無法抵抗此內(nèi)力，故提出可通過設置雙樁抵抗扶壁柱底部彎矩，具體提出計算模型如圖3 所示，通過設置扶壁柱，超高無支撐側壁及扶壁柱組成共同受力構件，首層板及底板約束其平面內(nèi)水平變形，通過承臺設置雙灌注樁承擔扶壁柱底板超大彎矩，雙樁與承臺鉸接，樁僅約束其豎向變形，使其僅承受軸向力（壓力或拔力）。

圖3 本文方法計算模型示意圖

提出超長側壁計算模型可按如下步驟簡化進行：（1）通過水壓力及土壓力導算荷載扶壁柱，側壁按單向導荷至扶壁柱（故側壁可按單向板進行計算配筋）；（2）根據(jù)圖3 約束條件按單跨單獨計算扶壁柱截面及配筋等（可按上端單向固定鉸支座，下端固結進行計算），根據(jù)計算結果可對扶壁柱進行截面變化及配筋；（3）根據(jù)扶壁柱端部彎矩（傳至過渡承臺水平力由底板承擔）可計算承臺截面配筋及樁拉壓力大小，進而設計抗壓樁及抗拔樁。

圖4 為扶壁柱及側壁平面圖，扶壁柱與相關范圍內(nèi)側壁形成計算單元（T 型截面），沿高度范圍內(nèi)可根據(jù)計算結果改變截面大小及配筋數(shù)量。經(jīng)計算，扶壁柱采用600mm×2800mm、側壁采用300mm～400mm、灌注樁采用φ1 000mm 可解決此問題。

圖4 扶壁柱設置平面圖

利用灌注樁協(xié)調(diào)扶壁柱解決超高無內(nèi)支撐側壁的設計方法應用此項目取得了良好的效果，大大減少了側壁厚度，減少施工難度，綜合效益較高。

3 換撐方案研究

由于地下室側壁通高且地下室樓板大面積開洞，對基坑進行換撐帶來了挑戰(zhàn)，需綜合考慮現(xiàn)場實際情況及可利用結構進行協(xié)同換撐。

本項目由于地下室通高無樓板，無法對基坑支護第二道撐提供換撐支撐，提出利用底板及扶壁柱進行換撐。

圖5 所示為利用扶壁柱及底板換撐示意圖，施工順序為：（1）待第二道支撐強度達到設計強度80%后，開挖至設計坑底標高，及時施工墊層，按順序施工地下室底板、外墻及扶壁柱；（2）在底板上施工，如圖6 所示，混凝土反撐桿支座，在支護樁及扶壁柱間施工腰梁、架設圖5 中反撐桿；（3）待側墻、扶壁柱達到設計強度80%后，拆除第二道支撐及其腰梁；（4）繼續(xù)向上施工地下室外墻及扶壁柱直至完成地下室頂板主次梁及部分樓板；（5）待頂板主次梁達到設計強度80%后，拆除反撐桿及第一道支撐；（6）完成地下室主體結構。需要注意的是，在整個施工工序中，由于利用了扶壁柱，需復核扶壁柱的受力情況，當拆除第二道撐時，扶壁柱受力情況如圖5 所示，經(jīng)復核，施工過程中扶壁柱滿足受力要求。

圖5 利用扶壁柱及底板換撐示意圖

圖6 反撐桿支座示意圖

在基坑設計時，通過與主體結構有機結合及協(xié)同設計，合理選擇受力體系，不僅節(jié)省施工工期，而且具有良好的經(jīng)濟效益，可為類似項目提供參考。

4 有限元分析

由于扶壁柱及底板為永久性構件，為了解扶壁柱體系、底板與換撐桿節(jié)點的受力性能及裂縫發(fā)展情況，對其進行有限元分析。混凝土本構關系采用Hognestad 建議公式表達應力—應變關系，屈服準則采用Mises 準則。混凝土的等效應力—應變曲線在上升段取5 個點，下降段取2 個點，屈服壓應變?nèi)?.002，極限壓應變?nèi)?.0038，泊松比=0.2。混凝土采用ANSYS 中提供的Solid65 單元進行模擬。節(jié)點模型的有限元網(wǎng)格采用映射網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的大小依據(jù)混凝土單元尺寸不宜小于50mm 的建議（本文取100mm）。

4.1 扶壁柱體系有限元分析

4.1.1 有限元模型及裂縫發(fā)展圖

為提高計算效率，樁根據(jù)剛度等效原則簡化為矩形樁。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖7（a）所示。

圖7 扶壁柱體系有限元模型及發(fā)展圖

圖7（b）所示計算模型的裂縫發(fā)展情況，在實際荷載作用下，模型底部承臺顯示有裂縫出現(xiàn)，在實際設計中，二樁承臺應加強承臺箍筋配置。在實際荷載作用下其余位置未見裂縫發(fā)展。

4.1.2 有限元計算結果

圖8 為計算模型第一及第三主應力圖，可看出扶壁柱體系在土壓力及水壓力作用下應力分布。扶壁柱體系的拉應力水平較小（最大1.29MPa），不超過混凝土（C35）抗拉強度標準值，其應力分布結果與上端固定、下端固結連續(xù)梁假定一致。在實際設計中可單獨將扶壁柱視為一連續(xù)梁構件進行簡化計算，也可不考慮側壁對扶壁柱剛度的貢獻，但在實際設計中應對側壁縱筋進行適當加強；對于過渡承臺，其內(nèi)部應力數(shù)值較小，但應注意扶壁柱對其局部壓力，尤其注意T 型端部對承臺懸挑段的劈裂作用；對于雙樁，其只承受拉壓力作用，在實際設計中可根據(jù)扶壁柱端部彎矩計算樁拉壓力。綜上，扶壁柱體系受力合理，能夠協(xié)同工作，在設計荷載作用下能滿足要求。

圖8 扶壁柱體系應力圖

4.2 底板與換撐連接節(jié)點有限元分析

4.2.1 有限元模型

由于節(jié)點形態(tài)比較復雜，導致節(jié)點網(wǎng)格劃分不規(guī)則，為了能使其進行映射網(wǎng)格劃分，需對節(jié)點進行工作面切分。依照節(jié)點的形狀對底板及換撐桿進行工作面切分，切分完畢后再進行合并節(jié)點操作。劃分網(wǎng)格后模型如圖9 所示。

圖9 節(jié)點有限元模型

4.2.2 有限元分析結果

由圖10 可以看出，節(jié)點受壓時最大應力約9MPa，小于混凝土抗壓強度，受拉應力最大約為1.9MPa，小于混凝土抗拉強度設計標準值。最大壓應力出現(xiàn)在撐桿與底板連接凹角處，在實際設計中，底板此位置設置鋼筋網(wǎng)片，以避免出現(xiàn)裂縫。可見，節(jié)點工作性能良好，受力性能滿足要求。

圖10 節(jié)點應力圖

5 結論

本項目根據(jù)場地限制及16.1m 深基坑條件，利用灌注樁協(xié)調(diào)扶壁柱解決超高無支撐側壁的設計，并采用鋼筋混凝土斜撐協(xié)調(diào)底板及扶壁柱進行換撐的方案，得出結論如下：

（1）利用灌注樁協(xié)調(diào)扶壁柱解決超高無支撐側壁的設計方案可行。能大大減少側壁厚度和提高施工便利性，且將底部彎矩轉換為樁的拉力和壓力大大減少側壁和底板的配筋。

（2）采用鋼筋混凝土斜撐協(xié)調(diào)底板及扶壁柱解決深基坑換撐方案可行，換撐結構受力清晰，能充分利用主體結構進行協(xié)同工作。

（3）通過有限元分析可知，扶壁柱體系及換撐節(jié)點受力可靠，應力水平及裂縫發(fā)展均滿足正常使用要求，局部應力集中位置可通過構造措施進行加強。