双肢格构柱钢支撑在大跨度洞室中的应用

摘要：根据现场工程实际需要，对水利隧洞工程中的大跨度洞室钢支撑进行了优化设计，在钢结构设计中，使用了相比实腹式钢支撑更能提高承载能力和减少耗材的格构式轴心受压柱(简称格构柱)，从而降低了施工成本，提高了大跨度洞室施工稳定安全。

关键词：大跨度洞室钢结构设计钢支撑格构柱

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况及设计原始条件

锦屏二级水电站4条引水隧洞末端各设有一座上游调压室。调压室由原来招标文件的阻抗式加扩大上室型式改变为了差动式结构，闸门井兼作升管，为“一洞一室两机”布置型式。每座调压室主要由阻抗孔、调压室竖井、事故闸门布置有关的闸墩、闸门检修和启闭平台、闸门后通气孔、调压室底部分岔段等组成。

工程区岩性为微风化T2y5-2花斑状大理岩，断层不发育，裂隙较发育。

1#、2#压室围岩较完整，局部较破碎，以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，部分为Ⅳ类；调压室无大的不利结构面组合，成洞条件总体较好。3#、4#调压室开挖后围岩以Ⅲ类为主，部分Ⅳ类，少量Ⅱ类，岩体完整性较差，y岩石较破碎，存在部分薄层状及碎裂散体结构；由于调压室底部设计开挖顶高程为1574.2m，底部高程为1562.70m，总高度约为11.5m，跨度为18m，实际开挖后成型高度为10.7m。由于跨度大且围岩较差，为保证调压室底部及竖井开挖施工的安全顺利进行，特对调压室底部进行两排钢支撑支护，以减少跨度从而保证洞室稳定，同时考虑到采用大型型钢整体支撑，施工成本过高。因此在此处采用双肢槽钢格构柱钢支撑，并对其进行了优化设计。

双肢格构柱设计条件及参数如下：

双肢格构柱为两端用钢板牢固焊接的立柱由2根槽钢组成，两槽钢之间通过横向、斜向缀条（L45*5槽钢）连接成一榀双肢格构柱，其截面形状如图1（双肢格构柱截面）所示。已知：柱长L=10.70m，材料抗压强度(根据钢《结构设计规范》GB50017-2003)且取槽钢的宽为h，格构柱的宽为b，其中y-y轴为格构柱的实轴，x-x为格构柱的虚轴；整个调压室底部由两排格构柱钢支撑组成，每排10榀共20榀格构柱钢支撑,每排钢支撑中每榀钢支撑的间距为1.0m(见图2 )。

图1双肢格构柱截面图

图2 调压室底部钢支撑支护示意图

2格构柱钢支撑的优化设计

2.1作用在格构柱上围岩压力计算

根据《水工隧洞设计规范》，薄层状及碎裂散体结构的围岩，作用在格构柱钢支撑上的均布围岩压力为

(1)

根据设计图纸得调压室底部的跨度为B=18.0m，由于受地质情况不可预见的因素较多，为提高支护的安全性，这里取最大系数0.3进行验算，将0.3代入(1)式中得：

为使格构柱成为处于理想状态下的轴心受压构件，则每排格构柱两侧各取相等距离范围的岩体作为岩体计算范围且取岩体范围长度为4.2m，因为格构柱的架设实际上是减少调压室底部的跨度，两排格构柱之间的岩体由于自身拱的作用而满足稳定要求，且边墙与格构柱之间的岩体的围岩压力由两侧边墙及格构柱共同承担，这里假设取格构柱的宽为b=0.5m,每排格构柱中的各格构柱之间的距离为1.0m,这样重心基本落在钢支撑上的岩体面积为：

按轴心受压构件进行承载力复核，且考虑其安全性，取1.5的安全系数，那么每榀格构柱钢支撑承受的轴向力为：

这里取N=1430kN。

2.2 格构柱钢支撑的计算

(1) 选定槽钢型号

由于钢支撑两端端部用钢板焊接后再与调压室底部已打锚杆牢固焊接，即格构柱两端为刚性连接，故根据《钢结构设计原理》得格构柱的计算长度系数为k=0.65，那么有格构柱钢支撑的计算长度：

取

假设取格构柱绕实轴的长细比(试算法计算过程)，按b类截面查表(《钢结构设计规范》GB50017-2003)得，格构柱稳定系数为，假设槽钢角的厚度,由整体稳定条件有：

又因为，采用图1所示的截面形状，一般，则有，查型钢表得双肢均选用槽钢[28b，得 [28b槽钢的相关数据

,则有在格构柱中绕实轴的极惯性距为。

(2) 验算实轴整体稳定

按b类截面查表(《钢结构设计规范》GB50017-2003)得，格构柱稳定系数为，则有：

故格构柱钢支撑整体稳定性满足要求。

(3) 确定分肢形心距c及截面尺寸b

缀条均采用角钢∠45*5，则有，取斜缀条与分肢夹角为，因为，所以有：

因为：

所以：。

此处是设计选择，显然以此重算易得，那么可知稳定系数相比增大。

故格构柱钢支撑绕虚轴整体稳定性满足要求。

(4) 验算分肢稳定

假设缀条汇交点在柱外边缘处，则取。

查表可得稳定系数相比更高即稳定性更好，故不必再做计算可得分肢稳定满足要求。

(5) 缀条内力计算

缀条内力计算公式为：

(2)

其中对于Q-235钢屈服强度，故将数据代入(2)式可得：

那么对于一侧斜缀条：

对于一侧横缀条：

(6) 缀条承载力验算

显然承载力以斜缀条起控制作用，故此处只验算斜缀条的承载力。

，那么有

查规范得稳定系数，规范规定，单面连接的角钢在稳定计算时，强度设计值应乘以折减系数，那么有

所以有：

故缀条承载力完全满足要求。

(7) 在此格构柱钢支撑的施工过程中必须严格控制焊接工艺和质量，故在此缀条端和分肢端部的焊接强度验算略。

综上所述设计的每榀格构柱钢支撑都满足要求，但由于钢支撑将承受扩挖施工过程溜渣井内石渣的反复冲击，为增加其稳定性，每榀钢支撑又通过∠45×5的角钢连接为一整体，使稳定系数可以相应提高，这样也提高此支护的整体稳定性和安全性，综上所述则得整个格构柱钢支撑满足要求。

3结语

工程中一般均采用单根型钢做钢支撑进行洞室支护，通过对此格构柱钢结构的设计，从一个受力构件的受力状况分析，对于实腹式钢梁，横截面的中部受力较小，可以挖去，如果挖去的钢材，加到受力较大的部分，则使得断面尺寸在相同耗材的前提下，格构式钢支撑的承载能力要比实腹式增大了很多。因此，在以后相应工程中，使用格构柱不但能提高支护的安全性，而且也能有效的降低成本。

参考文献：

[1] 任治章.压杆稳定设计的直接法.力学与实践，1993(1)：66～69

[2] 任治章.等边角钢四肢方阵式格构柱截面设计的近似方法.力学与实践，1997(2)：59～60

[3] 张艳霞，张丽霞.格构式轴心受压柱设计方法的改进. 北京建筑工程学院学报，第 20 卷 第 1 期

[4] 刘鸿文.材料力学(第四版)上册.北京：高等教育出版社，2004

[5] 龙驭球，包世华等.结构力学教程(Ⅰ).北京：高等教育出版社，1999

作者简介：

任明（1975.04-），男，四川阆中，项目常务副经理，工程师，从事项目管理工作。