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基坑支撑体系设计要点

345 2021-09-01 10:08:56

支撑是基坑围护结构的重要组成部分。它由支撑杆件、环梁和立柱 、吊杆等构件组成,是承受围护结构所传递的土压力、水压 力的结构体系。 支撑结构体系必须稳定,节 点连接构造必须可靠,支撑与竖向围护构件共同为基坑施工提供一个可靠的结构空间。土质越差、基坑越深,则支撑越显重要,设计时必须慎重,以避免因支撑结构的局部失效而导致整个支护结构的破坏。

支撑一般根据基坑平面、开挖深度 、地质、施工工艺、竖向围护结构特性、邻近建(构)筑物及地下障碍物(包括各种管线)分布情况等条件进行具体设计。

支撑体系设计要点

为了整个基坑施工安全应布置必要的支撑。支撑设计应包括以下内容和要求;

(1)支撑体系型式 支撑布置应尽可能简单,支撑的杆件应尽可能少;

(2)支撑材料的选择 设计选用的材料必须强度高、稳定性好;

(3)支撑结构的内力计算和变形验算 计算假定要符合工程实际条件和施工具体情况;

(4)支撑构件的强度和稳定性验算;

(5)支撑构件的节点设计 节点设计应当方便施工,安全可靠;

(6)支撑在施工中的替换与拆除方案设计;

(7)支撑设计施工图及说明 要强调对施工的要求;

(8)支撑体系在施工阶段的监测和控制要求。

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支撑体系型式

内支撑可做成水平式、斜撑式及复合式。复合式即为水平与斜撑相结合的型式。水平式和斜撑式支撑分别如图6.7-1a 和6,7-1b 所示。

水平式内撑根据基坑平面形状和施工要求,可以设计成多种形状。常用的有井学型、角撑型、圆环型、连环、水平桁架型及椭圆型等,如图 6.7-2 所示。竖向斜撑式支撑可以设计成单杆型、桁架型、立体格构型等。设计者应根据基坑高度、支承条件、材料供应及施工要求等因素决定。

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无论采用何种形式都要结合具体工程实际情况,充分利用有利条件做出受力明确、构造合理、施工方便、经济安全的设计,不受形式的约束。因为支撑毕竟是临时性结构。

如狭窄的长条形基坑可采用对撑式支撑,当长条形基坑的短边也较长时则做成十字型或分段桁架型(图 6.7-3)或连环型 、桁架型(图6.7-2)。

如方形或接近方形的基坑则可设计成桁架式角撑型或圆环型、连环型。见图6.7-2。

实际遇到的基坑平面是多种多样的。因此支撑的平面设计常富有创造性。但在一些特定条件下必须注意以下问题。

在水平支撑布置中特别要注意支撑内.力的对称平衡和整体稳定。如当基坑有一侧靠近河岸或路堤时就要充分注意平衡问题,这时就不能完全按对称原则来布置支撑。在靠近河岸或路堤一边必须采取一些措施∶如加固河堤结构∶垂直河堤二边加对撑∶在基坑靠近河岸或路堤一侧加一个平行于河岸或路堤的桁架式支撑在河岸或路堤对边设置水平撑与斜撑相结合的复合式支撑等,令垂直河岸或路堤方向传来的水平力尽量自相平衡,从而减少对路堤或河岸的威胁,也保证了基坑支护结构本身的安全。

内支撑布置时一般应注意以下几点要求;

(1)水平支撑的层数根据基坑开挖深度、地质条件,地下室层数、标高等条件结合洗用的围护构件和支撑系统酌情决定,另外还应满足围护结构的变形控制要求,以控制对周围环境的影响。

(2)设置的各层支撑标高以不妨碍主体工程地下结构各层构件的施工为标准。一般情况下,支撑构件底与主体结构面之间的净距不宜小于 500mm,或与施工单位配合商定。

(3)各层支撑的走向应尽量一致。即上、下层水平支撑轴线在投影上拉尽量接近。并力求避开主体结构的柱、墙位置。

(4)支撑形成的水平净空以大为好,方便施工。

(5)立柱布置在纵横向支撑的交点处或桁架式支撑的节点位置上,并力求避开主体工程梁、柱及结构墙的位置∶立柱的间距尽量拉大,但必须保证水平支撑的稳定日 足以承报水平支撑传来的竖向荷载;立柱下端应支承在较好的土层中。

当支撑平面轴线走向难以避开主体结构的柱、墙位置时,可采取以下措施;

将柱、墙伸出主筋弯折或在支撑混凝土中预埋小口径套管,套管的平面位置同柱、墙的主筋位置。这样可将主体结构中的主筋通过套管插入下部结构混凝土内,保证主体结构主筋到位。虽然这样会给支撑结构施工带来许多麻烦,但都要满足主体结构的设计要求。

支撑材料

作为水平支撑的材料主要有木材、型钢、钢管、组合空间桁架和钢筋混凝土结构。木材支撑以圆木为主.一般用干简单的小型基坑。采用木材作为支撑施工十分方便,还可用于抢险辅助支撑。

型钢和钢管是工厂定型生产的规格化的现成材料,施工时根据受力大小和长度要求可以直接选购,然后截割或拼接后使用,因此施工速度快。,由于材料本身重量轻、强度高,稳定性好,并可施加预应力以合理控制基坑变形,因此被广泛用于支撑构件中。但钢材价格高,必须多次重复利用才能降低成本。

当无大型钢管和型钢时,可用角钢组合成空间桁架支撑,它的外围尺寸可以根据需要设计。由于组合空间桁架外围尺寸、刚度大,稳定性好,常用于跨度长、受力大的支撑部位。

钢筋混凝土支撑一般在现场浇捣。采用这种材料作为支撑杆件,设计比较灵活,可以设计成任意形状和断面的支撑,并且整体性好。可靠度高,节点容易处理,价格也比较便宜。但施工工序多,要现场支模、安装钢筋、浇捣混凝土,后期支撑拆除也比较费工,且支撑杆件材料不能回收。

内支撑结构计算

内支撑承受的荷载大而复杂,计算时应包括最不利时的工况。内支撑的每根杆件都要满足强度和稳定性要求,以保证整个支护结构的安全。

内支撑结构计算主要包括以下几个方面内容∶

(1)确定荷载种类、方向及大小;

(2)计算模型和计算假定;

(3)采用合理的计算方法;

(4)计算结果的分析判断和取用。

1.水平支撑的荷载

作用在水平支撑上的荷载主要是水平力和竖向荷载。

水平力主要是由竖向围护结构传来的水、土压力和基坑外地面荷载(有关水平力的计算参见第 2 章)。沿压顶梁、腰梁长度方向的分布力汇集到水平支撑的端部节点上。必要时还要考虑环境条件的变化。如温度应力或附加预乐力等外荷载。竖向荷载主要是支撑自;重和附加在支撑上的施工活荷载。

2.计算方法

支撑计算比较复杂,它的复杂性不在于支撑本身,而在于计算的精确性与同它相联系的围护结构、土质 、水文、施工工艺等条件密切有关。

计算方法大致分为三种∶

第-种是简化计算方法。它将支撑体系与竖向围护结构务自分离计算。压顶梁和腰梁作为承受由竖向围护构件传来的水平力的连续梁或闭合框架,支撑与压顶梁、腰梁相联的节点即为其不动支座。

当基坑形状比较规则并采用简化计算方法时,可以采用以下规定∶

(1)在水平荷载作用下腰梁和压顶梁的内力和变形可近似按多跨或单跨水平连续梁计算。计算跨度取相邻支撑点中心距。当支撑与腰梁、压顶梁斜交时或梁自身转折时,尚应计算这些梁所受的轴向力。

(2)支撑的水平荷载可近似采用腰梁或压顶梁上的水平力乘以支撑点中心距;

(3)在垂直荷载作用下,支撑的内力和变形可近似按单跨或多跨连续梁分析。其计算跨度取相邻立柱中心距;

(4)立柱的轴向力取水平支撑在其上面的支座反力;

按照上述规则计算的结果都是近似值,但比较直观简明,适合于手算和混合计算,一般可起到控制作用。

第二种是平面整体分析。它将支撑体系作为一个整体,传至环梁(即压顶梁、腰梁)的力作为分布荷载,整个平面体系设若干支座(以弹性支座为好,其刚度根据支撑标高处的土层特性及围护结构刚度综合选定),借助计算机软件进行分析,可同时得出支撑系统的内力与变形解答。

第三种为空间整体分析。它即将所有支撑杆件、压顶梁、腰梁、立柱与竖向围护构件视为一个协同工作的整体结构。这种计算只能借助电子计算机才能胜任,目前已有程序出台。将竖向围护构件的特征、节点构造和支撑杆件特征等全面纳入计算范围,并模拟各种施工情况。当外部特性描述正确时,采用整体分析能较准确地计算出各种工况下各构件的内力和变形。

有条件时,可以采用二种以上的方法进行计算,以资对比互校。最后通过分析、判断,选取较合适的计算成果作为支撑结构断面、节点的设计依据。

水平支撑的截面设计

支撑截面设计方法基本上与普通结构类似,作为临时性结构尚可作如下一些规定∶

(1)支撑构件的承载力验算应根据在各工况下计算内力包络图进行。其承载力表达式为∶

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(2)水平支撑按偏心受压构件计算。杆件弯矩除由竖向荷载产生的弯矩外.尚应考虑轴向力对杆件的附加弯矩,附加弯矩可按轴向力乘以初始偏心距确定。偏心距按实际情况确定,且对钢支撑不小于 40mm,对混凝土支撑不小于 20mm。

(3)支撑的计算长度;对于混凝土支撑,在竖向平面内取相邻立柱的中心距,在水平面内取与之相交的相邻支撑的中心距。对于钢支撑如纵横向支撑不在同一标高上相交时,其水平面内的计算长度应取与该支撑相交的相邻支撑的中心距的 1.5~2 倍,其它情况下的计算长度同混凝土支撑。

钢支撑可采用钢管、工字钢、槽钢或用角钢焊成的组合格构柱。因上述材料均由工厂生产,有关断面几何参数和力学特征均可在产品目录中查到或从有关钢结构设计手册中检索。当特别需要时可以用钢板截割焊接成需要的断面。设计时先选用、试算、修改、验算合格后,再确定断面的设计。

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钢筋混凝土支撑的断面最简单的是做成矩形。为满足受力要求或施工需要也可以做成其他形式,其中部分形式如图 6.7-4。

在混凝土支撑二侧可加做些简单栏杆以保证行人安全。为 了考虑后期拆除方便可在混凝土,支撑断面内预留孔洞,以备后期采用爆破方法拆除时安装炸药。采用爆破拆除方案时,应征得当地有关部门的批准。

钢支撑的连接主要采用焊接或高强螺栓连接。钢构件拼接点的强度不应低于构件自身的截面强度。对于格构式组合构件的缀条应采用型钢或扁钢。不得采用钢筋。

钢管与钢管的连接一般以法兰盘形式连接和内衬套管焊接,分别如图 6.7-5 和图6.7- 6。当不同直径的钢管连接时,采用锥形过渡,如图 6.7-7 所示。钢管与钢管在同一平面相交时采用破口焊连接,如图6.7-8和图6.7-9 所示。

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钢管或型钢与混凝土构件相连处须在混凝土内预埋连接钢板及安装螺栓等(图 6.7- 10)。当钢管或型钢支撑与混凝土构件斜交时混凝土构件宜浇成与支撑轴线垂直的支座面,如图6.7-11。

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压顶梁与腰梁设计

由基坑外侧水 、土及地面荷载所产生的对竖向围护构件的水平作用力通过压顶梁和腰梁传给支撑。同时设置了压顶梁和腰梁后可使原来各自独立的竖向围护构件形成一个闭合的连续的抵抗水平力的整体。其风度对围护结构的整体网度影响很大。因此压顶梁与腰梁是内撑式支护结构的必备构件。

压顶梁通常采用现浇钢筋混凝土结构,以保证有较好的连续性和整体性。

腰梁可用型钢或钢筋混凝土结构。钢腰梁可 以采用 H 型钢、槽钢或由这类型钢的组合构件。钢腰梁预制分段长度不应小于支撑间距的 1/3,拼接点尽量设在支撑点附近并不超过支撑点间距的三分点。拼装节点宜用高强螺栓或焊接,拼接强度不得低于构件本身的截面强度。

压顶梁和腰首生是水平方向受雪的多跨连续梁,所以采用扁 宽形截面效果更好。各计算跨度为相邻支撑点之间的中心距。

当压顶梁、顺梁成闭合结构时,或与水平支撑斜交、或者作为边桁架的弦杆、或本身为弧形塑时,还应按们心,受压构件进行验算。它们的抽向力为另—方向梁端传来的压力、或水平支撑轴向力的分力、或桁架弦的计算轴向力、或弧形梁的环向压力。当弧形压顶梁和腰梁为纯圆环梁且不产生弯矩时,则可按中心受压构件验算。 压顶羹的断面宽康要大干竖向围护结构件的横向外包尺寸(每侧外伸至少 100mm),且可在内侧面向下作一反边,见图 6.7-12。

压顶梁与竖向围护构件的连接必须可靠,不致造成"脱帽"。要求混凝土围护桩的主筋锚入压顶梁内,锚固长度不小于 30d~35d。当竖向围护构件为钢桩时也应采取一定的锚固措施。

当压顶梁与支撑构件均为钢筋混凝土结构时最好同时施工。当支撑采用钢结构时,则应在压顶梁的支撑节点位置预埋铁件或设必要的混凝土支座,以确保支撑的传力合理正确(图 6.7-13)。

腰梁随基坑挖土达到设计标高时施工,它附贴于竖向围护构件的内侧。与压顶梁相似。腰梁主要承担水平方向的弯矩和剪力,因此在水平方向的刚度要大一些。

腰梁通常搁支在竖向围护构件的牛腿上,牛腿可以做成明的或暗的形式。在竖向围护构件设置牛腿的位置预埋铁件,此预埋铁件与竖向围护构件的钢筋笼固定在一起。预埋铁件要足以承担腰梁传来的竖向剪力和弯矩。这些剪力和弯矩主要是由腰梁、支撑等的自重和施工荷载所引起的。腰梁与竖向围护构件之,间的缝隙用细石混凝土填实(混凝千强唐等级不低于 C20),以保证腰梁与竖向围护构件之间的传力。

当腰梁与竖向围护构件均为混凝土结构时。它们的连接关系也可以这样处理∶将腰梁一侧嵌人竖向围护构件内 50mm,另一侧用钢筋吊杆来保持腰梁的平衡。钢筋用 φ16~φ22,间距 2000mm左右,见图 6.7-14。

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支撑立柱与支托的设计

当支撑跨越空间尺度较大时均应设置支撑的立柱或支托,以缩知水平支撑的跨度和孕压杆的计算长度,从而减少因竖向荷载所引起的支撑弯矩,也有利于避免出现水平荷载作用下的压屈效应,从而保证支撑的强度和稳定。

设置立柱应考虑以下问题;

(1)设置立柱不能影响主体施工。要力求避开主体框架梁、柱、剪力墙等位置;

(2)尽量利用工程桩;

(3)立柱要均匀布置,且数量尽量少;

(4)立柱穿板处要考虑防渗;

(5)保证立柱的强度和稳定;

(6)当有其他办法时尽量不设立柱或在施工底板时能去掉立柱,如采用吊挂或空间桁架、拱等形式来代替立柱。

立柱多用挖(钻)孔灌注桩等接以各类型钢及型钢组合的格构柱。钢柱埋入混凝土内的长度不小于钢柱边长的 2倍。且不小于灌注桩的一倍直径.一般取 1/3 的柱高。立柱底部的桩身应穿过淤泥或淤泥质土等软弱土层.并应对单桩承载力进行验算.保证立柱能承担支撑传来的竖向荷载。立柱布置宜紧靠支撑交汇点,当水平支撑为现浇钢筋混凝土结构时,立柱宜布置于支撑交叉点的中心。

型钢立柱与灌注桩的钢筋笼,施工时可焊接起来下放到桩孔内,然后灌注混凝土至地下室底板底,在底板底面以上桩孔不灌注混凝土而用砂子填实,当型钢立柱自身刚度较大时也可不填。钢立柱或格构柱中间净空尺寸要考虑灌注混凝土时串简(或导管)能通过。如柱的刚度不足,则在挖土后应再焊上对角连接条,以加强立柱的稳定性。

立柱受压计算长度取竖向相邻二层水平支撑的中心距。最下一层支撑以下的立柱计算长度宜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。立柱的长细比不宜大于25。

当立柱按偏心受压杆件验算时,立柱截面的弯矩由以下几项合成∶竖向荷载对立柱截面形心的偏心弯矩、水平支撑对立柱验算截面所产生的弯矩、土方开挖时作用于立柱的单向土压力对验算截面的弯矩。开挖面以下立柱的竖向和水平承载力可按计算单桩承载力的方法计算。

当立柱按中心受压构件设计时,立柱轴向力可按下式计算;

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6.7.8 斜撑的设计

当基坑的平面尺寸较大、形状不规则而深度又不大,在符合下列条件时,可以采用竖向斜支撑体系∶

(1)基坑深度≤8m(在地下水位较高的软土地区基坑深度≤6m);

(2)场地周边没有对沉降特别敏感的建筑物、构筑物、重要地下管网或其他市政设施;

(3)预留土坡在斜撑安装前能满足边坡稳定条件;

(4)坑底中心部分有条件形成可靠的斜撑传力基础。坑底遇有以下情况之一者可认为较适合采用斜撑传力;

(1)主体采用群桩基础,基础底设整体现浇的混凝土垫层,且混凝土垫层厚≥200rmm,混凝土强度等级不低于 C15;

(2)基坑底揭示中风化岩、微风化岩或其它坚实岩土层;

(3)在二个相对应的斜撑底之间可以设置水平平衡压杆;

(4)允许利用主体工程地下室桩基承台和底板兼作斜撑基础。

斜撑体系通常由斜撑、压顶梁或腰梁和斜撑基础等构件组成(图6.7-15、16)。

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斜撑构件常规来用型钢或组合型钢截面,必要时也可采用钢筋混凝土结构。 当基坑较浅,支撑受力不大时或采取抢险措施时可用圆木作为斜撑材料。

斜撑与基坑底面之间的夹角一般情况下不宜大于 35°。在地下水位较高的软土,地区不宜大于 26°。一般斜撑安装在坑内的预留土坡上,因此斜撑的斜度还应与坑内土坡稳定的倾角相一致。

斜撑的水平投影长度 S 应大于基坑的深度 D。当斜撑水平投影长度大于 15m 或斜撑截面的长细比>75 时,宜在跨中设置竖向立柱或做成组合式斜撑(图6.7-16)。

斜撑杆件按偏心受压杆计算;轴向平面内的计算长度取相邻节点的距离,轴向平面外取斜向平面内二支点之间的距离。

斜撑设计中要考虑斜撑与压顶梁、腰梁,斜撑与斜撑基础以及压顶梁、腰梁与竖向围护构件之间的连接部都要有足够的承载能力,以承受斜撑的水平分力和垂直分力,同时构造上能抵抗一定的弯矩作用。

斜撑上下的支座面宜与斜撑的纵向轴线相垂直,支座设计不但要考虑承压和抵抗滑动,而且还要承受一定的弯矩,因此在斜撑的上下节点处要有可靠的锚固。

斜撑底部基础一般有以下一些做法∶

(1)承台;在斜撑底部设计专用承台,也可利用工程桩基承台。二边对应的斜撑承台间,应该用毛石混凝土填实或另设压杆以抵抗斜撑底部的水平分力;

(2)钢筋混凝土基础;在斜撑底部将垫层改为钢筋混凝土基础,并适当加强,以作为两对边基础之间传递斜撑水平分力的"杆件"。