型钢栈桥在基坑工程中的应用的几点探讨

朱建辉

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350025)

在基坑工程中，土方工程是其重要的组成部分。土方工程一般包括场地平整、基坑开挖、土方装运、土方回填压实等工作。基坑土方开挖的目的是为了进行地下结构的施工。为了实现土方开挖，就必须采取相应的支护结构体系，以保证基坑及周边环境的安全。基坑开挖和土方装运往往是随着支护结构的施工进行的。在进行基坑的大规模开挖时，机械化施工所带来的经济效益日益凸显。

钢栈桥原为战时的临时行驶通道，建国后根据我国国情，参照英国公司的最新设计引入我国作为临时施工钢栈桥[1]。临时施工钢栈桥根据纵向受力构件的不同，分为临时施工型钢栈桥和临时施工贝雷架钢栈桥。无论是哪一种形式的钢栈桥，其都具有可分解、组装快速的优点，自身的施工周期短，造价低，可作为土方运输车辆和其他施工机械的垂直运输通道，能够最大限度减少人工开挖的土方量，加快土方开挖的施工进度，缩短土方开挖的施工时间，达到有效控制工程成本的目的。

目前，国内外研究人员对栈桥的设计和施工缺少系统化的研究成果，大部分是建立在施工经验上的一些数据。即便是参考文献，涉及研究的也较少，没有相关的国家规范，很多是通过类似工程来确定设计和施工方案。

本文将采用有限元分析并结合工程实际，论述临时施工型钢栈桥应用在采用内支撑支护体系的深基坑工程中时，如何进行有针对性的设计，以达到最佳的工程效果。

1 基坑临时施工型钢栈桥桩顶作用效应的取值

土方运输车辆在坡道上行驶的过程中，车辆的自重和制动力由工字钢纵梁传至双拼工字钢横梁，如(图1)，最后通过钢管立柱传至桩顶。

图1 临时施工型钢栈桥桩顶荷载作用效应

1.1 基坑临时施工型钢栈桥桩顶竖向作用效应的取值

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94 －2008)[2]第5.2.1条的规定，基桩的桩顶竖向作用效应如下所示:

式中，Fk为荷载效应标准组合下，由工字钢纵梁传至工字钢横梁顶面的竖向作用力;Gk为工字钢横梁的自重，应包括钢横梁两侧横向加劲肋的重量;n为钢横梁下立柱的数量;Nik为荷载效应标准组合偏心竖向力作用下，第i基桩或复合基桩的竖向力;Mxk、Myk为荷载效应标准组合下，作用于承台底面，绕通过桩群形心的 x、y 主轴的力矩;xi、xj、yi、yj为第 i、j基桩或复合基桩至y、x轴的距离。

如(图 1)所示，yi=0，Myk=0，故式(1)可简化为如下的形式，

即同一排工字钢横梁下的钢管立柱基桩的桩顶竖向作用效应相等。

1.2 基坑临时施工型钢栈桥桩顶水平作用效应的取值

假设临时施工栈桥的桥面坡度为θ，土方运输车辆的自重为G，根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60 －2004)[3]第4.3.1 和4.3.6 条的规定，土方运输车辆的制动力按同向行驶的汽车荷载(不计冲击力)计算，因临时施工钢栈桥的单跨长度Li＜150m，且栈桥面一般为双向单车道或者仅为单向单车道，故土方运输车辆可不考虑荷载在桥面纵向的折减，且土方运输车辆的制动力按[3]的第4.3.1条的规定，取车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10%计算，且不得小于90kN。即Fz=0.10×(qk×L+Pk)≥90kN。

根据[3]的第4.3.1－4条的规定，公路Ⅰ级的车道荷载的局部荷载qk=10.5kN/m;集中荷载Pk按如下规定取值:栈桥的跨径小于或等于5m时，Pk=180kN;栈桥的跨径等于或大于50m时，Pk=360kN;栈桥的跨径在5m～50m之间时，Pk值采用直线内插求得。由于临时施工型钢栈桥的单跨跨径L一般不大于12m，本文为了验证方法在工程中的最不利工况下也能满足规范的要求，取L=12m，按线性插值求得Pk=208kN。根据[3]的第4.3.1－4－2条的规定，栈桥荷载按Ⅱ级车道荷载取值，即按Ⅰ级车道荷载的0.75倍采用。Fz=0.10×(qk×L+Pk)=0.10×0.75×(10.5×12+208)=25.05kN≤90kN，故取 Fz=90kN。

2 基坑临时施工型钢栈桥与基坑内支撑体系的连接

2.1 基坑临时施工型钢栈桥与基坑内支撑体系的连接的常规做法

基坑临时施工型钢栈桥与内支撑体系的连接，一般采用在支撑梁内预埋钢板和直锚筋，将基坑临时施工型钢栈桥的纵梁和钢板通过焊接进行连接如(图2)。这种常规的连接方式，通过预埋的直锚筋与混凝土支撑梁的联结力和直锚筋端部的弯钩来有效地传递水平作用，限制栈桥面的水平位移，但不能有效的承担由土方运输车辆和栈桥自身传来的竖向作用，故需要在栈桥与内支撑梁连接的端部设置钢管立柱，以承担上述竖向作用。

图2 临时施工型钢栈桥与内支撑梁的连接

2.2 基坑临时施工型钢栈桥与基坑内支撑体系的连接做法的改进

常规的连接做法虽然构造简单，传力路径明确，但在型钢栈桥与内支撑的连接端部必须用钢立柱进行支撑，而钢立柱须用基桩作为其基础。本文结合内支撑梁的结构和构造特点，对内支撑梁和型钢栈桥连接端部的截面进行改进，使型钢栈桥与内支撑梁端部的连接可以同时传递水平作用和竖向作用，而无需立柱作为其竖向传力构件。通过这样的设计，充分发挥了内支撑梁的承载力，节省了一排立柱和一排基桩的工程费用[5]，能够达到良好的工程效果，改进后的连接端部截面如(图3)。

图3 临时施工型钢栈桥与内支撑梁的连接改进

改进后的截面类似混凝土牛腿，依靠挑出长度为500mm的悬臂来承受由型钢栈桥纵梁传来的竖向作用力，该悬臂段沿原内支撑CL的纵向进行延伸，延伸范围为型钢栈桥桥面宽度方向两侧各1000mm。

2.3 基坑临时施工型钢栈桥与基坑内支撑体系的连接截面的配筋计算

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60－2004)及业主的要求，某工程的临时型钢钢栈桥需承受50kPa的竖向施工活荷载。假设与内支撑连接的型钢钢栈桥的跨度L=8m，桥面宽度B=8m，则由栈桥传至连接截面的竖向力 p=8×8×50÷2÷8=200kN/m，考虑型钢栈桥的自重，取p=250kN/m。

2.3.1 基坑临时施工型钢栈桥与基坑内支撑体系的连接截面的配筋的传统计算方法

沿原内支撑CL取单位纵向长度作为计算截面的配筋截面，则该截面的平面尺寸及受力情况如(图4)。

图4 临时施工型钢栈桥与内支撑梁的连接截面的配筋计算简图

利用理正结构设计工具箱软件7.0版进行计算，计算结果如(图5)，其中剪力V满足《混凝土结构设计规范》(GB50010 －2010)[4]第 6.3.7 条的规定，即，其中 V=250kN，αcvftbh0=0.7 ×1.71 ×1000 ×765=915.71kN，0.05Np0=0，故截面箍筋按构造要求进行配置。该截面的实际配筋如(图3)。

图5 临时施工型钢栈桥与内支撑梁的连接截面的配筋计算结果

2.3.2 基坑临时施工型钢栈桥与基坑内支撑体系的连接截面配筋的有限元分析

根据传统计算方法的配筋计算结果，采用ANSYS对构件进行建模分析。该梁长度L=10m，采用对称式建模，取L=5m，并在对称面施加对称面约束。混凝土和钢筋的组合方式采用离散式，对混凝土采用SOLID65单元进行模拟，对钢筋采用LIKE8单元进行模拟[6]，[7]。离散钢筋的 LIKE8 单元和混凝土单元SOLID65共用节点，以实现整体工作过程中自由度的耦合。建立完成的模型如(图6)。其中钢筋排布如(图7)。

图6 临时施工型钢栈桥与内支撑梁的连接截面的离散式钢筋混凝土模型

采用ANSYS的非线性分析功能，对模型进行受力分析，得到收敛的工程解，收敛误差设置为5%[6]。

模型采用传统分析的配筋结果进行计算分析，得到梁的挠度值沿梁纵轴的分布如(图8)。从图中可知模型的跨中最大挠度fmax=2.86mm。模型的裂缝计算结果如(图9)，从图中可知截面的裂缝在端部和跨中的中性轴以下沿竖向分布开展，在截面悬挑处，沿梁纵向轴线分布。

图7 临时施工型钢栈桥与内支撑梁的连接截面的钢筋排布

图8 临时施工型钢栈桥与内支撑梁的连接截面的挠度

图9 临时施工型钢栈桥与内支撑梁的连接截面的裂缝开展

根据国家规范的要求，构件的截面应力不应超过材料的极限承载力。通过ANSYS的通用后处理器查看混凝土的应力，得到混凝土的应力分布如(图10)。从图中可知，混凝土的最大压应力为18.49N/mm2，最大拉应力为7.69 N/mm2。该截面采用C40混凝土，混凝土的抗压强度设计值为19.1 N/mm2，抗拉强度设计值为1.71 N/mm2。对比图示的应力分布，可知该构件全截面的压应力均不大于混凝土的抗压强度设计值，拉应力在局部超过抗拉强度设计值，将产生裂缝，失去抗拉能力。但混凝土拉应力超过规范要求的范围很小，且在钢筋混凝土构件中，计算时是不考虑混凝土的受拉承载力的，故该结果满足规范的要求。

图10 临时施工型钢栈桥与内支撑梁的连接截面的混凝土应力分布

通过ANSYS的通用后处理器查看钢筋的轴向应力，建立钢筋轴向应力的输出表格，并按应力绝对值的大小降序排列[8]，得到的结果如(图11)。从该列表可知，钢筋的最大拉应力为315.23N/mm2，最大压应力为314.22 N/mm2，未超过规范规定的钢筋抗拉和抗压强度设计值360 N/mm2，故满足规范的要求。

图11 临时施工型钢栈桥与内支撑梁的连接截面的钢筋应力的降序排列

2.4 基坑临时施工型钢栈桥与基坑内支撑体系的连接采用改进做法的工程实例

某工程采用SMW工法桩+二道钢筋砼内支撑的基坑支护体系，为加快土方运输需搭建临时施工型钢栈桥。该栈桥的垂直运输高度为5.5m，行车中线的水平投影长度为46.4m，临时施工型钢栈桥与内支撑梁的连接截面采用本文提到的改进方法进行计算和截面施工，如(图12)。从图中可知，截面的裂缝开展与有限元计算的结果相符，经现场踏勘和监测，截面未出现破坏和过大变形，与计算结果相一致。故采用传统方法进行截面设计，能够符合国家规范的要求，并满足工程实际的要求。

图12 临时施工型钢栈桥与内支撑梁的连接截面的改进做法的工程实例

3 结论

在采用内支撑支护体系的深基坑工程中，为了提高土方开挖的效率，常架设临时施工钢栈桥。临时施工钢栈桥的立柱桩基础应考虑由土方车和栈桥自重产生的竖向作用和水平作用，其中竖向作用Nk=，水平作用F=0.10×(q×L+P)。为了充分发挥内支撑梁的承载力并节约钢栈桥的工程造价，对临时施工型钢栈桥与内支撑梁的连接截面进行改进。经过有限元分析和实际工程的验证，对该连接截面沿原内支撑CL取单位纵向长度作为计算截面并采用传统计算方法进行配筋计算，能够满足国家相关规范和工程实际的要求。

[1]John Vincent，John Corven.Innovative Overwater Trestle Reconstruction[C].16Th Congress of IABSE，Lucerne，2000.

[2]JGJ94－2008，建筑桩基技术规范[S].

[3]JTG D60－2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[4]GB50010－2010，混凝土结构设计规范[S].

[5]蒋峰，柯诚.浅谈大型钢栈桥的造价分析[J].公路，2010，(10):32－35.

[6]尚晓江，邱峰，赵海峰.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社，2008.278－299.

[7]汪冬生，吴铁君.ANSYS中的钢筋混凝土单元[J].武汉理工大学学报，2004，28(4):526－529.

[8]邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册[M].北京:人民邮电出版社，2007.380－382