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基坑支撑结构的设计

340 2021-09-13 09:09:44


1荷载及内力计算

作用在支撑结构上的竖向荷载,除了自重以外,还应考虑一定数量的施工活荷载,一般可取 4kPa。当支撑结构需要兼作施工作业平台或栈桥时,应进行专门设计。

作用在 支撑结构 上的水平荷载。 干要是由围护墙传来的由坑外地表荷载和水、土压力所引起的侧压力。当支撑长度大干 40m时,应考虑温度变化对支撑轴向 力的影响。对于钢结构支撑,当实际建立的预加压力值大于有地表荷载和水土压 力所引起的轴向力的 50%时,应考虑预压力对支撑轴向力的影响。

支撑结构计算模型的尺寸取支撑构件的j中心、距。 对干现浇混凝土支撑构件考虑到使用时有裂缝产生,所以抗弯刚度应乘以 0.8~0.9 折减系数。对于钢结构围檩,当采用分段拼装或拼接点的构造不能满足截面的等强度连接要求时应把拼接点作为铰接考虑。

当支护结构采用空间模型分析时,支撑结构的内力和变形可直接采用其计算结果。当支护结构采用简化的平面计算模型分析时,一般只给出单位墙段长度在围檩上的分布反力,在这种情况下,支撑结构的内力和变形可以按以下方法确定∶

1.1 形状比较规则的基坑,采用相互正交的支撑体系时,各支撑构件的内力可以按以下方法确定;

支撑轴向力可以近似采用围护墙在围檩上的水平分布力沿支撑长度方向 上的投影乘以中心距。在垂直荷载作用下的内力和变形可以近似按单跨或多跨梁分析,其计算跨度取相邻立柱中心距;

围檩在水平分布力作用下的内力和变形,可近似按多跨或单跨水平梁分析。计算跨度一般情况下可取相邻支撑点中心距。 1.2 较为复杂的平面支撑体系,宜对每层支撑用空间杆系模型进行分析。计算模型的边界可以做如下假定∶

(a)支撑与围檩、支撑与立柱的节点处,以及围檩的转角处设置竖向约束,防止计算模型竖向移动;

(b)如果沿围檩四周并与围檀长度方向正交的水平荷载不是均匀分布时,需要在适 当位置上设置防止计算模型整体平移或转动的假想水平约束。由于在假想约束中会产生水平反力,影响支撑结构的实际内力,因此假想水平构束应设置在对主要构件内力影响最小的位置上,总数量应尽量少。这是因为在实际结构中,约束支撑结构水平位移的构件是四周的围护墙,其约束反力就是支护结构内力分析时得出的在支撑位置上的水平分布反力。所以在假想水平约束中的反力在实际结构中是不存在的。

1.3 竖向斜撑体系

在斜撑安装前,作用在墙背的水土压力通过围护墙,部分由墙前开挖面以下的地基抗力承受夕外,其余的侧压力与墙前预留土坡的被动抗力相平衡。在斜撑安装后,并挖除了墙前土坡,此时墙背的部分水土压力通过墙体传到围檀上,再由围檩传给斜撑,并通过斜撑传给基础。作用在基础上的斜撑轴向力 可以分解为垂直和水平方向两个分力,垂直分力由基础底面的地基反力平衡,水平分力通常由基础压杆与基坑对面斜撑基础上的水平分力相平

衡。当具备下列条件之-时,也可不设基础压杆;

(1) 余斜撑基础

支承在基岩上,水平分力可由基底与基岩之间的摩擦力平衡;

(2) 允许利用地下室底板兼作斜撑基础时;

(3) 主体工程采用群桩,斜撑基础与主体结构整体铺设的混凝土垫层整浇时,此时垫层厚度不宜小于 15cm,强度等级不小于 C15 级。

采用斜撑体系时,支护结构的内力和变形也可以用平面支撑体系 的简化平面计算模型讲行分析。 当需要考虑支撑与墙体的变形协调时,应考虑斜撑基础位移的影响。

2 支撑结构的构造 2.1 钢结构支撑的构造

钢支撑和钢围檀的常用载面有钢管、H 钢、工字钢和槽钢,以及它们的组合载面,如图 5-26。

节点构造是钢结构支撑设计中需要充分注意的一个重要 内容,不合适的连接构造容易使基坑产生过大变形。

焊接连接一般可以达到载面等强度要求,传力性能较好,但现场工作量很大。螺栓连接的可靠性不如焊接,但可方便现场拼装。

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对于钢围檩的现场拼装,无论采用哪一种连接方法,由干受到操作条件限制,很难使围檩在拼接点处的全载面强度得到发挥。所以在设计时应把安装节点设置在内力较小的位置上,同时在可能条件下应尽量增加现场安装段的长度。 在围檩内力分析时应把安装节点作为铰接处理。

用 H 钢作围槽时。虽然在它的主平面内抗弯性能很好,但抗剪和抗扭性能较差,需要采取合适的构造措施加 以弥补。

当支撑和围檩斜交时,或者对于承受较大轴向力的角撑,需要考虑把沿 围檩长度方向的水平分力通过有效途径传给 围护墙体,通常钢围檩和混凝土墙体之间传递水平剪力的能力是有限的。因此在余斜交的情况下,当支撑轴向 力较大时不宜采用钢围檩。

纵横向水平支撑交叉点的连接有平接和叠接两种,一般来说,平接节点比较可靠, 可以使支撑体系形成较大的平面刚度。迭接连接施工方便,但是这种连接能否有效限制支撑在水平面内的压屈变形是值得怀疑的。

2. 2 现浇混凝土结构支撑的构造

现浇钢筋混凝土,支撑及围檩一般采用矩形耄面。支撑的截面高度除应满足受压构件的长细比要求外(不大于75),不应小于其竖向平面内计算跨度(一般取相邻立柱中心距)的 1/20,围檩的截面高度(水平向尺寸)不应小于其水平方向计算距度的 1/8,围檩的载面宽度 (竖向尺寸) 不应小于支撑的载面高度。整个混凝土支撑体系应在同一平面内整浇。

支撑和围檩内的纵向钢筋直径不应小于16mm,沿截面四周纵向钢筋的最大间距应小于 200mm。箍筋直径不小于 8mm,间距不大于250mm。支撑的纵向钢筋在围檩内的锚固长度不宜小于 30倍的钢筋直径。

混凝土围檩与围护墙之间不留水平间隙。对于地下连续墙,当支撑与围檩斜交时,应在墙体 上沿围檩的长度方向预留经过验算的剪力钢筋或剪力槽,如图 5-27。

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立柱构造

立柱的长细比应不大于 25。立柱截面可以采用型钢或组合型钢。一般情况下,在基坑开挖面以上宜采用格构式钢柱,以方便主体工程基础底板钢筋施工,同时也便干和支撑构件连接。 立柱在开挖面以下部分可以用与开挖面以上相同截面的钢柱,当主体工程采用灌注桩或挖孔桩时,宜把上部钢柱插入灌注柱或挖孔桩内,插入长度不小干钢柱边长的 4倍。有条件时应尺可能利用工程桩支承上部钢立柱。为了防止立柱沉降或坑底土回弹对支撑结构的不未利影响。立柱的下端支承在较好的土层上。在软土地区,立柱在开挖面以下的埋置深度不宜小干基坑开挖深度的 2 倍。

立柱与水平支撑连接可采取铰接构造,但连接件在竖向和水平方向的连接强度应大于支撑轴向力的 1/50,以保证支撑构件的稳定。当采用钢牛腿连接时,钢牛腿的强度和稳定应通过计算确定。

3 支撑构件的截面承载力验算

"支撑构件的截面承载力应根据各个施工阶段中最不利的荷载组合作用效应进行验算。

3.1 围檀截面验算

围檩的载面承载力一般情况下按受弯构件验算。 当支撑与围檩斜交时,尚应验算偏心受压时的载面强度,此时构件的受压计算长度取内力分析时的计算跨度。

对于按连续梁计算的钢筋混凝土围檩,支座负弯矩可 以考虑塑性变形内力重分布,乘以调幅系数 0.8~0.9,但此时梁的跨中正弯矩应相应增加。

3.2 水平支撑截面验算

水平支撑的截面承载力通常应按偏心受压构件验算。在竖向平面内立柱计算长度取相邻立柱的中心距;在水平面内的受压计算长度取与计算支撑相交的相邻横向水平支撑的中心距;对于钢支撑,当纵横向支撑不在同一标高 上相交时,其平面内的受压计算长度取与之相交的相邻横向水平支撑中心距的 1.5~2.0 倍。

支撑截面上的偏心弯矩除由竖向荷载所产生的之外,尚应考虑轴向力对构件初始偏心距所引起的附加弯矩。构件的初始偏心距可取支撑计算长度的 2%~3‰,对于混凝土支撑不宜小于 20mm,钢支撑不宜小于 40mm。

现浇混凝土支撑在竖向平面内的支座弯矩可以乘以 0.8~ 0.9 的调幅系数折减,但跨中弯矩应相应增加。

3.3 立柱截面验算

立柱截面承载力应按编心受压构件验算。其受压计算长度取竖向相邻水平支撑中心距,最下一层支撑以下的立柱受压计算长度取该层支撑中心线至开挖面以下 5 倍立柱直径(或边长)处之间的距离。

除了截面承载力验算外,开挖面以下的立柱尚应按单桩承载力的计算方法验算立柱的竖向和水平承载力。

3.4 竖向斜撑体系截面验算竖向斜撑体系应验算以下项目∶

(1)预留土坡的边坡稳定验算,稳定安全系数不宜小于 1.5。

(2)斜撑截面承载力,可近似按轴心受压构件验算,受压计算长度(当不设立柱时)取支撑全长。

(3)用檩截面承载力验算 同水平支撑体 系中心、用模验算方头

(4)斜撑基础验算,按天然地基上浅基础的设计方法验算其竖向承载力。

(5)基础压杆可近似按轴心受压构件验算截面承载力。