钢支撑预加力对围护结构内力的影响分析

2010-05-22 05:35洪德海
铁道勘察 2010年2期
关键词:轴力内力围护结构

洪德海

(中铁工程设计咨询集团有限公司, 北京 100055)

随着基础设施建设的大规模开展,深基坑工程大量涌现,各种支护形式也在不断发展和完善。当前,围护墙加内支撑这一支护形式应用十分广泛,特别是在地铁工程中,如无特殊情况一般都采用这种形式。内支撑形式一般有混凝土支撑和钢支撑两种。钢支撑由于施工方便,架设拆除快速,可以反复使用等而成为内支撑优先考虑的支撑形式。而在钢支撑的计算和施工中,支撑预加轴力的施加对支护结构的受力变形起着重要作用。

1 施加预加轴力对围护结构的作用

支撑预加力可减少支护结构的位移值,这是因为向支撑施加预加力可使支撑紧抵支护结构从而消除支护结构的松弛。此外,向支撑施加预加力还可减少开挖时在土体内积聚起来的剪应力,这意味着土体的应力应变关系得到改善,进而减少位移量。支撑预加轴力的大小取决于地质和施工条件,日本曾规定施加预加轴力应相当于静止土压力值,因为这样能使墙体变位最小。过大的预加轴力则效果不明显,因为太大的预加轴力值会导致支护结构外向位移,反而损坏邻近建筑或地下管线。

与钢支撑相比,混凝土支撑只有当混凝土的压缩变形到一定程度后才能显示出其截面抗力优势,并且混凝土支撑需要很长的养护期才能满足支撑受力要求;在这段时间内围护结构会发生很大变形,对周围环境可能已经产生不利影响。

2 预加轴力的合理施加量

由计算分析可知,钢支撑达到极限稳定承载力时,理论轴向最大变形只有13~15 mm,但实际施工过程中观测到的围护结构变形比这个值大许多,往往到18~35 mm。分析产生这么大差异的主要原因是:

①围护结构之间有间隙。钢围檩与围护墙之间存在缝隙,有的可达5~10 mm。现场观测可知,只有钢支撑、钢围檩、围护墙之间无间隙时,它们之间的力才能很好的传递,而这一过程都是以牺牲围护结构变形为代价的。如果不消除支护系统的松弛,消除钢支撑和围檩之间的间隙,围护结构变形很难得到有效控制,而这一要求的实现依赖于钢支撑预加轴力施加的效果。

②钢围檩在受力状态下会有变形和位移。开挖作用对基坑周围地层的力学状态及其影响是不可忽略的,虽然不可能在设计中完全考虑这种影响,但是对开挖作用所产生的影响做出正确的估计却非常必要。

因此,确定预加轴力值时需根据施工中的具体情况合理施加。

《建筑基坑支护技术规程(JGJ 120—99)》4.5.4规定:支撑预加力值不宜大于支撑力设计值的0.4~0.6倍。

钢支撑预加压力的施工应符合下列要求:

①支撑安装完毕后,应及时检查各节点的连接状况,经确认符合要求后方可施加预加力,预压力的施加应在支撑的两端同步对称进行。

②预压力应分级施加,重复进行,加至设计值时,应再次检查各连接点的情况,必要时应对节点进行加固,待额定压力稳定后锁定。

《上海市基坑工程设计规程(DBJ08—61—97)》规定:预加力对支撑结构的影响与设计采用的预压力控制值大小有较大关系,而目前支撑结构所施加的预压力控制值一般都小于支撑轴力设计值的60%,其主要作用是对围护墙体产生适量的预顶力,同时检验支撑连接结点的可靠性,通常不考虑其对支撑内力影响。

预压力应分级施加,重复进行。一般情况下,预压力控制值不宜小于支撑设计轴力的50%,但也不宜过高。当预压力控制值取用支撑设计轴力的80%以上时,应防止围护结构的外倾、损坏和对坑外环境的影响。

钢支撑施加预加轴力的作用机理是利用钢材轻质、高强、理想弹塑性材料特性,预先给钢支撑施加一定轴力,来抵抗基坑侧向土压力,从而达到控制基坑变形效果。从对钢支撑施加预加轴力的作用机理可以看出,只有给钢支撑施加合理的预加轴力值才能起到良好支护效果,数值不合理效果就难以达到。但科学合理的钢支撑预加轴力究竟怎样选取尚无科学的依据。目前采用钢管支撑作为围护结构对撑的地铁深基坑工程,对于钢支撑的预加轴力往往都是由设计人预先规定的。

本文拟对比分析多种预加轴力加载方案对挡墙位移、内力,支撑轴力的影响,从而合理确定工程中的实际加载方案。

3 实例分析

某地铁车站深基坑工程,总长502.2 m,标准段宽21.4 m,基坑深为17.5 m。工程场地土层依次为人工填土、粉质黏土、中砂、砾砂、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。地下水埋深6.6 m。岩土物理力学参数取用值见表1。

围护结构选用800 mm地下连续墙,三道支撑,一道钢筋混凝土撑,两道钢支撑,见图1。

表1 岩土物理力学参数

图1 围护结构模型(单位:m)

计算结果如表2所示。

表2 预加轴力加载方案对挡墙变形受力的影响计算

由计算结果可看出,预加轴力为设计轴力的40%~80%时,墙身最大弯矩和最大剪力处于相对比较小的状态,最大位移随着预加轴力的增大而减小;当预加轴力大于90%设计轴力时,墙身出现反向位移,弯矩和剪力也增大。考虑到钢管的极限稳定承载力,预加轴力可取设计轴力的40%~60%。

从上述结果还可看出,(1)给钢支撑施加预加轴力是减少围护结构变形的有效措施。(2)随着预加轴力的增大,桩身弯矩和剪力基本上也逐渐增大。(3)施加预加轴力大小对钢支撑最终轴力没有太大影响。

4 结束语

本文论述了钢支撑预加轴力对支护结构的作用及机理,预加轴力的合理施加,最后通过实例对比分析了多种预加轴力加载方案对挡墙位移、内力,支撑轴力的影响。得出结论:(1)给钢支撑施加预加轴力是减少围护结构变形的有效措施。(2)随着预加轴力的增大,桩身弯矩和剪力基本上也逐渐增大。(3)施加预加轴力大小对钢支撑最终轴力没有太大影响。(4)考虑到钢管的极限稳定承载力,预加轴力可取设计轴力的40%~60%。

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