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内支撑结构种类与结构形式讲解!

470 2021-09-14 10:10:35

基坑支护体系由两大部分组成,一是挡土系统,包括各种钢板桩、钢筋混凝土预制桩、灌注桩、地下连续墙等,另一部分则是稳固、辅助传力系统,这部分包括锚杆、内支撑结构。锚杆是从基坑外侧稳固支护桩系统,通过轴向受拉将力传到产生压力的土体外侧,各锚杆之间并无平衡关联。而内支撑结构是从基坑内部稳固支护桩系统,通过轴向受压使将两端力平衡,各支撑件组成一整体,相互关联,要维护挡土系统的稳定,就需具有足够的强度、刚度和稳定性,在满足安全的条件下,还要尽量简化结构,创造出较大而宽敞的施工空间,同时使用的材料还要轻便、节省,否则基坑内部支撑杆件密集、粗大,既不经济又影响施工,因此内支撑结构的设计是十分重要而细致的。

一、支撑的种类和结构形式

在深基坑的支护结构中,常用形式有单层或多层平面支撑体系和竖向斜撑体系。按其材料可分成钢管支撑、型钢支撑、钢筋混凝土支撑、钢管和钢筋混凝土的组合支撑等种类,按其结构形式分可分成单跨压杆式支撑、多跨压杆式支撑、双向多跨压杆式支撑、水平桁架、框架式支撑。水平支撑可以用对撑、对撑桁架、斜角撑、斜撑桁架以及边桁架和八字撑形式组成,以及一些特殊形状的支撑,如圆形、椭圆形等类型,这些支撑系统都有各自的特点,但都遵从一个原则,那就是在结构安全的前题下,尽可能简洁,采用能创造出大空间效果的支撑形式。

以支撑材料种类分析,钢支撑材料的消耗量小,可以施加预应力,有效地控制基坑变形。此外,钢支撑的架设和拆除速度较快,有利于缩短工期。但是钢支撑系统的整体刚度较弱,整体变形相对大。钢筋混凝土支撑结构整体刚度好,自身变形小,安全可靠,但施工制作、保养时间长,且需拆除,工程量大而繁重。虽然如此,钢筋混凝土支撑因施工方便,基坑变形小、可靠度高而被广泛地采用。

内支撑体系的选型和布置应根据基坑平面的形状、尺寸和开挖深度、周围的环境保护要求、场地的地质条件等因素综合考虑确定,优先采用平面支撑体系,尤其是钢结构支撑。对于形状比较复杂或环境要求较高的基坑,宜采用现浇混凝土结构支撑。

(一)常见的支撑形式 1.单跨压杆式支撑

当基坑平面呈窄长条状,短边的长度不很大时,可采用单向布置的对撑体系,在该长度下,支撑杆件的承载力完全能满足围护系统的需要,一般情况下利用支护桩顶的水平圈梁兼作第一道水平支撑的围檩。采用这种形式具有受力特点明确,设计简洁,施工安装灵活方便等优点。图4-15 是这种形式的示意图。通过某些支撑杆件的压杆极限承载力和压杆允许长度的关系曲线(图4-16)可以看出,基坑支护短边宽度在 10~14m 时,很适于用此种形式的支撑,如各类地下管道的长条基坑。

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2.多跨压杆式支撑

当基坑平面尺寸较大,基坑短边的长度已超过支撑杆件的极限承载力,单跨已不能满足围护系统的要求时,如宽度在 20~30m 间,就需要在支撑杆件中部加设若干支点,给水平支撑杆加设垂直支点,并在基坑四角设置水平角撑,就组成了多跨压杆式的支撑系统(图4-17a)。这种形式的支撑受力较明确,施工安装也并不复杂。

一般情况下,在支撑结构上不考虑施工机械运行和材料堆放等作用。当必须利用支撑构件兼作施工平台或栈桥时,应进行专门的设计。

多跨压杆式支撑系统的短边一般不超过 3 跨,基坑两个短边侧面的支撑采用搭角斜撑,并与围檩连接,如图4-17(b)。

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(二)支撑体系的构件

支撑结构体系由围檩、支撑杆或支撑桁架、立柱、立柱桩等杆件组成。支撑结构的围檀直接与支护桩相连,支护桩上的力通过围檩传递给支撑结构体系,围檩的刚度对整个支撑结构的刚度影响很大,所以一般情况下在设计中十分注意围檩杆件的加强。支撑杆是支撑结构中的主要受压杆件,支撑杆相对于受荷面来说有垂直于荷载面和倾斜于荷载面两种,对于斜支撑杆要注意支撑杆和围檩连接节点的力的平衡,支撑杆由于受自重和施工荷载的作用,是一种压弯杆件,支撑的截面高度(竖向尺寸)不应小于其竖向平面计算跨度的 1/20,在各受压支撑杆件中增设三向约東节点构造以减短压弯支撑杆件的计算长度,或将支撑杆设计成支撑桁架,将加强支撑杆件的刚度和稳定性。当设计成桁架支撑时,桁架的腹杆应该按其受力情况合理地选择断面尺寸和杆件材料,以求节省费用,方便施工。

钢支撑结构体系的支撑杆和支撑杆之间连接节点的受力特点是∶两交叉相连的支撑杆为了能在各自方向上施加预应力,它们的连接既有三向约束作用,又能使支撑在各自轴线方向上进行移动,这也使钢支撑结构的整体刚度减弱。

支撑杆和支撑桁架需要有立柱来支承,立柱应布置在纵横向支撑的交点处或桁架式支撑的节点位置上,并应避开主体工程梁、柱及承重墙的位置。立柱的间距一般不宜超过 15m。

立柱通常采用 H形钢或钢格构柱,如用 H形钢立柱,可以直接将 H形钢打入土中要求的深度,立柱下端应支承在较好的土层上,开挖面以下的埋入长度应满足支撑结构对立柱承载力和变形的要求。一般钢立柱下要有立柱桩支承,立柱桩可以借用工程桩,也可以单独设计用于支承立柱,钢立柱与立柱桩连接时其下端锚入钢筋混凝土钻孔灌注桩,锚入长度一般取 1/3 的柱高。如用钢格构柱,一般将格构柱座落在钢筋混凝土钻孔灌注桩上,钻孔灌注桩的人土深度由立柱的承荷情况确定。

钢筋混凝土支撑结构各支撑杆件之间的连接应按现行的规范和构造要求来设计。二、支撑结构的计算

内支撑结构设计应包括; 材料的选择和结构体系的布置;结构的内力和变形计算;构件的强度和稳定验算;构件的节点设计; 结构的安装和拆除设计。

内支撑结构的材料主要为钢结构和钢筋混凝土结构,以下按两类不同的材料进行介绍。(一)钢支撑结构

钢支撑结构常用的是钢管支撑结构和 H形钢支撑结构,这两类支撑以其重量轻、刚度大、装拆工作量小、可重复使用、材料消耗少的特点,而被广泛采用,钢支撑结构是一种单跨或多跨的压弯杆件,应按偏心受压构件计算。截面的偏心弯矩除由竖向荷载产生的弯矩外,尚应考虑轴向力对构件初始偏心距的附加弯矩。构件截面的初始偏心距可取支撑计算长度的2%~3‰,并不宜小于40mm。支撑构件的长细比应不大于75,连系构件的长细比应不大于120,立柱的长细比应不大于25。

1.单跨压杆的内力与挠度

图4-20 所示为单跨压弯杆件计算图,y轴向下,压杆轴线向下凸。

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