柱間支撐對基坑棧橋側移剛度和穩定性影響研究

2025-09-26 00:00:00肖彥杰龔男申富林

河南科技 2025年16期

關鍵詞：基坑；棧橋；柱間支撐

中圖分類號：TU391 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）16-0070-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.16.014

Study on the Influence of Column Bracing on Lateral Stiffness and Stability of Foundation Pit Trestle Bridge

XIAO Yanjie1GONG Nan2SHEN Fulin1 （1.Guangzhou Railway Polytechnic， Guangzhou 5113oo，China; 2.Dongying Technician College， Dongying 257091， China）

Abstract： [Purposes] In foundation pit engineering with complex surrounding environments，trestle bridges are often constructed to meet the requirements of material stacking and construction vehicle traffic.However，current Chinese specifications for foundation pits stillprovide limited guidance on trestle bridge design and construction.This study focuses on the column bracing system of foundation pit trestle bridges.[Methods] Using ANSYS，a structural simulation model was established to compare the lateral stiffness of structures with diferent column bracing arrangements.The influence of column bracing on structural buckling load was analyzed，and optimal bracing positions were investigated.[Findings] The results demonstrate that column bracing reduces lateral displacement of the trestle bridge by more than 18% and increases buckling load by more than 24% ， indicating that proper column bracing arrangement can effectively enhance both lateral stiffnessand stabilityof trestle bridges in acost-effectiveand convenient manner.[Conclusions] The findings provide valuable references for engineering practice.

Keywords： foundation pit; trestle bridge; column bracing

0 引言

在基坑施工過程中，當土方開挖區域內的土質條件不適于修筑坡道或基坑周邊空間不足時，通常需要設置施工棧橋以確保作業順利進行。此外，為了優化土方運輸條件，以及提升土方開挖與外運的效率，實際工程中也會在基坑內部架設棧橋。基坑棧橋的上部結構一般由棧橋板、棧橋梁等構件組成，其下部結構由立柱和立柱樁等構件組成。依據建造方式的不同，施工棧橋可分為兩類：一類是與基坑支撐系統集成為一體的棧橋，通過在支撐結構的支撐梁上澆筑混凝土板形成，其大部分承重結構亦作為支護體系的一部分；另一類為獨立式棧橋，該類棧橋獨立于支撐結構之外單獨設置，其承重部分不參與基坑支護[2]

目前，國內外有關基坑的規范中對棧橋施工的指導較為有限[3]，一些學者對施工棧橋的設計理論4和施工要點5進行了研究。 Hou 等對薄壁棧橋進行了全尺寸試驗研究，建立了詳細的計算模型，并進行了參數化研究。任路等將棧橋設置于基坑對撐間，采用橋面豎向等效荷載對結構內力進行了計算。賈紅學等8采用絕對最大彎矩等值法確定了棧橋板上混凝土攪拌車的等效均布荷載取值。郭俊濤等建立了基坑棧橋和土方車的分析模型，研究了土方車對棧橋的沖擊系數，給出了柱間系梁的布置建議。工程中常在棧橋立柱之間設置系梁及柱間支撐以增強結構的側向剛度和整體穩定性。本研究探討柱間支撐設置對基坑棧橋穩定性的影響，分析對比不同柱間支撐布置方案對應的側移剛度，旨在為相關設計人員提供理論支持和技術參考。

1施工棧橋的有限元模型

本研究采用ANSYS有限元分析軟件建立施工棧橋的仿真模型。鑒于棧橋結構通常包括傾斜和水平兩種，本研究分別對這兩部分進行建模和探討。

本研究以一個挖深為 15m 的基坑為例，其設置了基坑棧橋。對于棧橋的水平部分，選取了5跨結構作為研究對象，每跨長 8m ，總長 40m 。該棧橋使用直徑 600mm 壁厚 10mm 的鋼管作為立柱，立柱高度為 15m 。棧橋寬度為 8m ，在橫向布置兩根立柱，其間距為 8m 。立柱頂部澆筑鋼筋混凝土梁板，板厚 0.3m 。立柱之間設置了系梁，為直徑

273mm 、壁厚 8mm 的鋼管。系梁間豎直方向距離5m ，水平方向設置，最下層連桿距離立柱底端 5m 。剪刀撐采用直徑 245mm 、壁厚 8mm 的鋼管，其端部焊接在立柱與梁或立柱與系梁的交點處。在ANSYS中，立梁、柱、剪刀撐及系梁均采用 Beam188 單元建模，而混凝土板則使用Shell181單元表示，在立柱底部施加固定端約束，如圖1所示。

圖1基坑棧橋水平段

對于棧橋的傾斜部分，考慮到實際工程中常見的坡度約為 15% ，本研究將棧橋坡道的傾斜角度設定為 15% 。因此，立柱的高度根據位置進行變化：頂部立柱為 15m ，而底部立柱縮短至 9m 。除立柱長度外，其他設計參數與水平段一致。在有限元模型中，斜坡段的各構件采用與水平段相同的單元類型，如圖2所示。

圖2基坑棧橋斜坡段

2柱間支撐體系對棧橋側移剛度的影響

2.1系梁對棧橋側移剛度的影響

本研究在縱向對棧橋板施加一定水平荷載，計算該荷載作用下結構的最大位移，以此評估結構的縱向側移剛度[\"。根據有限元分析結果，基坑棧橋水平段縱向位移如圖3所示。由圖3可知，設置系梁后，其縱向側移相較于無系梁的情況減少了27.52% ；在斜坡段，設置系梁使結構的縱向側移降低了 37.34% 。

圖3基坑棧橋水平段縱向位移

在分析結構的橫向側移剛度時，在橫向對棧橋板施加一定的水平荷載，計算其作用下的最大側移\"，以此來衡量結構的橫向側移剛度。分析結果顯示，對于水平段，布設系梁后，橫向側移相較于無系梁的情況減少了 18.79% ；在斜坡段（圖4），設置系梁使結構的橫向側移降低了 20.89% 。綜上所述，設置系梁能夠在一定程度上提高施工棧橋在縱向和橫向上的剛度。

2.2剪刀撐對棧橋側移剛度的影響

除了在立柱間設置系梁外，工程中還常采用剪刀撐來增強結構的剛度。現針對剪刀撐位置分別對施工棧橋水平段和斜坡段橫向剛度的影響進行研究。為描述方便，系梁在棧橋上劃分的不同層自上而下分別被稱為最上層、中間層和最下層。

在已設置系梁的棧橋上，將橫向剪刀撐布置于棧橋不同層位，計算橫向側移。計算結果表明，對于棧橋水平段，剪刀撐分別設置于最上層、中間層（圖1）和最下層時的橫向側移相較于僅布置系梁的棧橋分別減少了 53.08%.82.51% 和 51.84% ；對于斜坡段，剪刀撐分別設置于最上層、中間層（圖2）和最下層時的橫向側移相較于僅布置系梁時分別減少了 59.64%.80.56%.46.89% 。由以上計算結果可知，無論是在施工棧橋的水平段還是斜坡段，橫向剪刀撐設置在中間層時，對減小結構橫向側移的效果最為顯著，側移相較于僅設置系梁的情況降低了約 80% ，其次為設置于上層，而設置于下層的效果相對較差。

3柱間支撐體系對棧橋穩定性的影響

3.1棧橋穩定性

在基坑施工過程中，由于空間限制，棧橋的水平段除了用作施工車輛的通行路徑外，有時還不得不充當建筑材料堆放區和臨時停車區。這使得結構可能承受較大的豎向荷載，因此對其穩定承載力的研究是有必要的。目前，整體結構穩定性分析主要通過有限元軟件實現[12]。本研究采用ANSYS軟件中的特征值屈曲分析方法來評估施工棧橋的穩定性。

3.2系梁對基坑棧橋穩定承載能力的影響

在棧橋板上施加豎直向下的均布荷載，采用特征值屈曲分析（EigenBuckling）來求解屈曲荷載系數，該系數可用于衡量棧橋結構的穩定性。通過計算獲得無系梁和柱間支撐結構的第一至五階屈曲荷載系數，分別為268.67、269.63、382.74、796.91和797.64。計算得到設置系梁的基坑棧橋的前5階屈曲荷載系數為334.95、378.58、476.25、914.25和928.59。

計算結果顯示，添加系梁后，結構各階屈曲荷載系數均有所提升。在ANSYS特征值屈曲分析中，第一階失穩模態通常最為關鍵，而高階模態則較少受到關注。設置系梁的結構其一階屈曲荷載相較于未設支撐的結構提高了 24.67% ，這表明，系梁的設置在一定程度上能夠提高棧橋的穩定承載能力。

圖4基坑棧橋斜坡段橫向位移

3.3剪刀撐對基坑棧橋穩定承載能力的影響

在施工棧橋的中間層設置橫向剪刀撐，并在中間跨設置縱向剪刀撐，如圖5（a）所示，求得結構一階屈曲荷載系數為958.62，比僅設置系梁時的屈曲荷載提高了 256.80% 。可見在已安裝系梁的結構上布設剪刀撐會使基坑棧橋的屈曲荷載有很大提高。繼續在與中間跨相鄰的兩跨增設縱向剪刀撐，如圖5（b）所示，求得結構一階屈曲荷載系數為970.3，屈曲荷載提高不大。可見當剪刀撐達到一定數量后，繼續增設剪刀撐對棧橋穩定承載力的提高不明顯。