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支护结构与主体结构的结合及设计要求

524 2021-03-16 14:24:52


主体工程与支护结构相结合,是指在施工期利用地下结构外墙或地下结构的梁、板、柱兼作基坑支护体系,不设置或仅设置部分临时基坑支护体系。它在变形控制、降低工程造价、可持续发展等方面具有诸多优点,是建设高层建筑多层地下室和其他多层地下结构的有效方法。


支护结构与主体结构可采用下列结合方式∶

(1)支护结构的地下连续墙与主体地下结构外墙相结合,即"两墙合一",同时结合坑内临时支撑系统;

(2)支护结构的水平支撑与主体地下结构水平构件相结合,即用水平梁板体系替代支撑;

(3) 支护结构的竖向支承立柱与主体地下结构竖向构件相结合。


地下连续墙与主体地下结构外墙相结合时,可采用单一墙、复合墙或叠合墙结构形式,见图5.49。


与主体结构相结合的地下连续墙在较深的基坑工程中较为普遍。通常情况下,采用单一墙时,地下连续墙应独立作为主体结构外墙,永久使用阶段应按地下连续墙承担全部外墙荷载进行设计,基坑内部槽段接缝位置需设置钢筋混凝土壁柱,并留设隔潮层、设置砖衬墙。采用复合墙时,地下连续墙应作为主体结构外墙的一部分,其内侧应设置混凝土衬墙。


二者之间的结合面应按不承受剪力进行构造设计,永久使用阶段水平荷载作用下的墙体内力宜按地下连续墙与衬墙的刚度比例进行分配;地下连续墙墙体内表面需进行凿毛处理,并留设剪力槽和插筋等预埋措施,确保与内衬结构墙之间剪力的可靠传递。对于叠合墙,地下连续墙应作为主体结构外墙的一部分,其内侧应设置混凝土衬墙;二者之间的结合面应按承受剪力进行连接构造设计,永久使用阶段地下连续墙与衬墙应按整体考虑,外墙厚度应取地下连续墙与衬墙厚度之和。


复合墙和叠合墙在基坑开挖阶段,仅考虑地下连续墙作为基坑围护结构进行受力和变形计算;在正常使用阶段,可以考虑内衬钢筋混凝土墙体的复合或重合作用。



设计要求

支护结构与主体结构相结合时,因施工期和使用期的荷载状况和结构状态均有较大的差别,应分别按基坑支护各设计状况与主体结构各设计状况进行设计。按支护结构设计时,作用在支护结构上的荷载除应符合支护结构设计要求外,尚应同时考虑施工时的主体结构自重及施工荷载;与主体结构相关的构件之间的结点连接、变形协调与防水构造应满足主体结构的设计要求。按主体结构设计时,作用在主体地下结构外墙上的土压力应采用静止土压力。

1、地下连续墙与地下结构外墙相结合时的地下连续墙设计

(1)支护结构各设计状况下地下连续墙的计算分析应符合第 5.5 节的要求。

(2)主体结构各设计状况下地下连续墙的设计 

1)计算分析应符合下列规定∶

①水平荷载作用下,地下连续墙应按以主体地下楼盖结构为支承的连续板或连续梁进行计算,结构分析尚应考虑与支护阶段地下连续墙内力、变形的叠加的工况,此时,作用在主体地下结构外墙上的土压力宜采用静止土压力;

②地下连续墙应进行裂缝宽度验算。除特殊要求外,应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010 的规定,按环境类别选用不同的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值;

③墙体作为主要竖向承重构件时,应分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态验算地下连续墙的竖向承载力和沉降量。地下连续墙的竖向承载力宜通过现场静载荷试验确定。无试验条件时,可按钻孔灌注桩的竖向承载力计算公式进行估算,墙身截面有效周长应取与周边土体接触部分的长度,计算侧阻力时的墙体长度应取基底以下的嵌固深度。地下连续墙采用刚性接头时,应对刚性接头进行抗剪验算;

④地下连续墙承受竖向荷载时,应按偏心受压构件计算正截面承载力;

⑤墙顶冠梁与墙体及上部结构的连接处应验算截面受剪承载力。


2)当地下连续墙作为主体结构的主要竖向承重构件时,对于地下连续墙与内部结构之间差异沉降,可采取下列协调措施∶

①宜选择压缩性较低的土层作为地下连续墙的持力层;

②因地下连续墙成槽过程中的槽底沉渣难以控制,宜采取对地下连续墙墙底注浆加固的措施;

③宜在地下连续墙附近的基础底板下设置基础桩。


3)用作主体结构的地下连续墙的防水薄弱点在槽段接缝和地下连续墙与基础底板的连接位置,因此应设置必要的构造措施保证其连接和防水可靠性。连接及防水构造应符合下列规定∶

①地下连续墙与主体地下结构的连接可采用墙内预埋弯起钢筋、钢筋接驳器、钢板等,预埋钢筋直径不宜大于20mm,并应采用 HPB300 级钢筋;连接钢筋直径大于 20mm时,宜采用钢筋接驳器连接。无法预埋钢筋或留设精度无法满足设计要求时,可采用预埋钢板的方式;

②地下连续墙墙段间的竖向接缝宜设置防渗和止水构造。有条件时,可在墙体内侧接缝处设扶壁式构造柱或框架柱。当地下连续墙内侧设有构造衬墙时,应在地下连续墙与衬墙间设置排水通道;

③地下连续墙与主体地下结构顶板、底板的连接接缝处,应按地下结构的防水等级要求,设置刚性止水片、遇水膨胀橡胶止水条或预埋注浆管等构造措施。


2、支护结构的水平支撑与地下结构水平构件相结合时,主体结构楼盖的设计

(1)支护阶段,主体结构楼盖用作支撑,其计算分析应符合下列规定∶

1)应符合内支撑设计的有关规定,详见第 5.7 节;

2)当主体地下楼盖结构兼作为施工平台时,此时水平构件不仅需承受坑外水土的侧向水平向压力,同时还承受施工机械的竖向荷载。应按水平和竖向荷载同时作用进行计算;

3)同层楼板面存在高差的部位,应验算该部位构件的抗弯、抗剪、抗扭承载能力;必要时,应设置可靠的水平向转换结构或临时支撑等措施;

4)对结构楼板的洞口及车道开口部位,当洞口两侧的梁板不能满足传力要求时,应在缺少结构楼板处采用设置临时支撑等措施;

5)各层楼盖设结构分缝或后浇带处,应设置水平传力构件,其承载力应通过计算确定。


2)支护结构的水平支撑与地下结构水平构件相结合时,主体结构各设计状况下主体结构楼盖的计算分析尚应考虑与支护阶段楼盖内力、变形叠加的工况。


当采用梁板体系且结构开口较多时,可简化为仅考虑梁系的作用,进行在一定边界条件下,在周边水平荷载作用下的封闭框架的内力和变形计算,其计算结果是偏安全的。


当梁板体系需考虑板的共同作用,或结构为无梁楼盖时,应采用平面有限元的方法进行整体计算分析,根据计算分析结果并结合工程概念和经验,合理确定用于结构构件设计的内力。


主体地下水平结构作为基坑施工期的水平支撑,需承受坑外传来的水土侧向压力。因此水平结构应具有直接的、完整的传力体系。如同层楼板面标高出现较大的高差时,应通过计算采取有效的转换结构以利于水平力的传递。另外,应在结构楼板出现较大面积的缺失区域以及地下各层水平结构梁板的结构分缝以及施工后浇带等位置,通过计算设置必要的水平支撑传力体系。


3、支护结构的竖向支承立柱与地下结构竖向构件相结合时的立柱设计


结构与主体结构相结合工程中的竖向支承系统钢立柱和立柱桩一般尽量设置于主体结构柱位置,并利用结构柱下工程桩作为立柱桩,钢立柱则在基坑逆作阶段结束后外包混凝土形成主体结构劲性柱。


支护结构的竖向支承立柱与地下结构竖向构件相结合时,一根结构柱位置宜布置一根立柱及立柱桩。当一根立柱无法满足逆作施工阶段的承载力与沉降要求时,也可采用一根结构柱位置布置多根立柱和立柱桩的形式。


竖向支承系统立柱和立柱桩的位置和数量,要根据地下室的结构布置和制定的施工方案经计算确定,其承受的最大荷载,是地下室已修筑至最下一层,而地面上已修筑至规定的最高层数时的结构构件重量与施工超载的总和。除承载能力必须满足荷载要求外,钢立柱底部桩基础的主要设计控制参数是沉降量,目标是使相邻立柱以及立柱与基坑周边围护体之间的沉降差控制在允许范围内,以免结构梁板中产生过大附加应力,导致裂缝的发生。


(1)支护阶段立柱和立柱桩的计算分析 

1)应符合第 5.7 节的要求∶

2)立柱及立柱桩的承载力与沉降计算时,立柱及立柱桩的荷载应包括支护阶段施工的主体结构自重及其所承受的施工荷载,并应按其安装的垂直度允许偏差计人竖向荷载偏心的影响;

3)在主体结构底板施工前,立柱基础之间及立柱与地下连续墙之间的差异沉降不宜大于 20mm,也不宜大于柱距的1/400。立柱桩采用钻孔灌注桩时,可采用后注浆措施减小立柱桩的沉降。

(2)在主体结构的短暂与持久设计状况下,宜考虑立柱基础之间的差异沉降及立柱与地下连续墙之间的差异沉降引起的结构次应力,并应采取防止裂缝产生的措施。

(3)构造要求

与主体结构竖向构件结合的立柱的构造应符合下列规定∶

1)立柱应根据支护阶段承受的荷载要求及主体结构设计要求,采用格构式钢立柱、 H型钢立柱或钢管混凝土立柱等形式;立柱桩宜采用灌注桩,并应尽量利用主体结构的基础桩;

2)立柱采用角钢格构柱时,其边长不宜小于420mm;采用钢管混凝土柱时,钢管直径不宜小于 500mm;

3)需要外包混凝土形成主体结构框架柱的立柱,其形式与截面应与地下结构梁板和柱的截面与钢筋配置相协调,其节点构造应保证结构整体受力与节点连接可靠性;立柱应在地下结构底板混凝土浇筑完后,逐层在立柱外侧浇筑混凝土形成地下结构框架柱;

4)立柱与水平构件连接节点的抗剪钢筋、栓钉或钢牛腿等抗剪构造应根据计算确定;

5)采用钢管混凝土立柱时,插入立柱桩的钢管的混凝土保护层厚度不应小于100mm。