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岩土研究院

钢支撑体系结构——深基坑工程

345 2021-11-08 10:29:10

国贸中心二期工程位于现国贸中心院内,地上39层,地下3 层,框架—剪力墙结构。基坑东西长约 256m,南北宽约 51m,开挖深度 18.6m。基抗周围建筑物密集,南、北两侧相邻建筑物距基坑边约10m,现有建筑物基础埋深仅有 8m 和15m,远小干本基础的深度,所以本基坑的支护结构体系必须保证周围高大建筑物和施工过程的绝对安全。

本工程场区内土层自上而下依次为(1)填土,厚度3.1m;(2)砂质粉土,厚度6.2m;(3)粉砂,厚度1.6m;(4)细砂,厚度 2.8m;(5)圆砾,厚度 3.9m;(6)中砂,厚度1.6m;(7)砂质粉土,厚度2.8m。地下水位 15~25m。

1 基坑支护结构方案

根据本工程基坑条件和环境条件,经过技术经济比较,提出了如下支护方案∶基坑四周采用钻孔灌注桩作为围护结构,基坑开挖深度设3层水平支撑;第1、2层为钢支撑,第3层为预应力土层锚杆。 此方案解决了该场地的诸多制约条件, 可以确保邻近建筑物的安全。

2 支护结构体系设计与计算2.1 支护结构体系

根据基坑内主体工程的功能要求、规模布局、地下结构几何尺寸、结构特点、施工方法及基坑所处的环境、土层条件等,综合考虑支护结构体系为;

(1)围护结构∶采用φ800@1600的钻孔灌注桩。

(2)内支撑系统∶在一2.5m 和—8m采用 2道横向钢支撑,中间设3个钢立柱。

(3)外支撑系统∶在—14.5m设一道锚杆。

(4)在一2.5m 处设钢筋混凝土帽梁;在一8m 处设型钢腰梁,

2.2 锚杆设计

锚杆倾角25°~30°,孔径 150mm,间距1.6m;锚杆采用低松弛预应力钢绞线(ASTM A416)φ15.24(755)。

2.3 钢支撑设计

钢支撑的布置∶本工程在长约 256m、宽约 56m 的基坑中,每隔 8m 左右布1道横撑,角部斜撑,在基坑宽度方向设3排立柱,在支撑与立柱交汇处设杆系(图5-53)。支撑的计算模型∶本工程基坑长宽尺寸相差较大,其空间效应不太明显,可以按平面受力分析,故每道钢支撑可简化为相互独立的受压杆件。因此在计算分析时,每层支撑和圈梁(腰梁)可简化为平面封闭框架,即在平面框架周边作用均布荷载;圈梁(腰梁)为封闭框架梁,支撑、

杆系为杆件单元,立柱处认为该处竖向位移为零。支撑与圈梁(腰梁)的节点为饺接,支撑与杆系之间的节点为刚接。利用结构分析通用程序SAP84进行内力分析,计算结果是∶上层钢支撑最大轴力为1200kN,上层圈梁最大变形 22mm。下层钢支撑最大轴力为3400kN,下层腰梁最大变形 15mm。截面的选择;横撑、斜撑∶1H488(首层),2H488(二层);立柱∶1H488;腰梁∶2H488;杆系∶2【28a;八角撑∶2【36a、以上材料的选择,考虑了利用施工单位现有钢材。

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3 关键技术措施

基坑支护结构由支护桩、钢支撑及锚杆3部分组成。整个支撑体系的技术关键是钢支撑体系。

3.1 钢支撑的接长、对中

钢支撑材料为日产工字钢,每根18m,施工中每道支撑必须接长。如果采用焊接接长,现场施焊工作量大,焊接质量难以保证,并能产生残余变形,而采用法兰式连接(图5-54)则克服了上述不足,且便于日后拆撑及材料的重复利用。该节点受力主要为轴心受压,考虑允许偏心下弓起的弯矩。对承压板、焊缝、螺

栓进行了强度验算。该节点施工关键是;承压板间要均匀接触,支撑分段就位时中心要尽量保持一致。

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3.2 横撑、纵向杆系、临时立柱连接的三维节点构造该节点(图5-55)的作用是将横撑、纵向杆系、临时立柱连接成为整体。通过这个节点使各杆件协同工作,成为稳定的支撑体系。这个节点的受力特点是;横撑、杆系、立柱的连接既有三向约束作用,又允许横撑、杆系在各自轴线方向有变位。该节点既要保证传力可靠,又要考虑各杆件的回收利用及现场安装的可

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操作性。本工程采用了以摩擦方式进行连接的U 型套箍螺栓连接。这个节点施工简便、不损母材、易于调整。

3.3 杆系的接长采用螺栓连接

基坑长约 256m,杆系的温度变形对横撑的影响是不可忽视的。因此在设计中,杆系每 32m 设螺栓接头。杆系与杆系间留20mm空隙,螺栓孔为椭圆孔。这样,在杆系温度变形的影响下,不会对横撑稳定产生较大影响。

3.4 钢支撑预加轴力的节点构造(图 5-56)

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因钢支撑安装就位后需施加预压力,因此钢支撑的一端应为可自由伸缩,称之为"活节头。活节头主要由活节头主体、滑杆、滑道和钢楔块 4部分组成。"活节头主体与支撑相连,滑杆与圈梁(腰梁)相连,在预加压力作用下,滑杆可以在滑道中自由移动。活节头的传力过程是∶千斤顶施力于活节头主体,活节头主体将力传给支撑,支撑与圈梁(腰梁)顶紧后,楔入钢楔块。钢楔块将支撑的反力传给滑杆。进而传至圈梁(腰梁)。起到支撑的作用。

施工时必须保证,施加预压力时 2 台于斤顶同步,避免产生偏心荷载。

3.5 临时立柱的嵌固

临时立柱的嵌固深度为4m,其做法为;在地表钻φ800孔置入H 型钢立柱,然后注 4m 高素混凝土,则底部4m 形成型钢混凝土桩,保证了钢立柱的嵌固,避免了钢支撑预加压力时立柱上拨。

3.6 充分利用基坑开挖步骤对钢支撑的有利影响

开挖时分层、分段∶从上至下分4层,每层从中间向两侧。沿纵向从西向东,各步骤交叉进行。其优点是。利用每层开挖的带留时间和土层平台施做钢支撑(或锚杆)和预加压力。利用每层先控中间保留两侧土体方法,控制基坑土体位移。每个步骤控制在 48h以内完成。

4 施工监测及测试

本工程施工监测及测试内容为∶护坡桩水平位移观测、相邻建筑物沉降观测、支护结构临近地面裂缝观测、钢支撑施加预压力时侧向挠度、钢支撑侧向挠度长期观测、钢支撑分级预压力试验、锚杆预拉力试验、钢支撑横撑的轴力测试、杆系和斜撑的轴力测试、土体水平位移的检测、锚杆受力检测。

本工程已开挖至基底,主体工程已开始施工,到目前,护坡桩桩顶位移局部最大值为15mm,大部分桩顶位移在 10mm 左右。相邻建筑物的沉降最大值为7mm,钢支撑挠度在夏季温度较高时最大值为10mm。其它监测都没有发现异常现象。工程的实践结果证明,采用钢支撑和土层锚杆相对结合的支撑体系安全、可靠,变形小,稳定性好,且便于安装、拆除,钢材可重复使用。