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岩土研究院

​内支撑结构设计10项内容介绍

386 2021-03-16 11:13:36


工程实践中,内支撑结构不需占用基坑以外的地下空间,具有较好的整体强度和刚度,能有效地控制基坑变形,因此在深基坑支护工程中已得到越来越广泛地应用。内支撑结构基本构件包括支撑、腰梁(或冠梁)以及立柱和立柱桩,内支撑结构的平面和剖面示意见图5.33和图5.34。


内支撑结构宜采用超静定结构;对个别次要构件失效会引起结构整体破坏的部位宜设置约束。内支撑结构的设计应考虑地质条件和环境条件的复杂性、基坑开挖步序的偶然变化的影响。


内支撑结构设计包括支撑结构选型、支撑形式、平面布置、竖向布置、立柱和立柱桩设计、腰梁的设计、节点构造设计、预应力设置、换撑设计等内容以及竖向斜撑设计。支撑结构的计算主要是支撑构件的强度与稳定性计算。


1、内支撑结构选型


内支撑结构的选型有钢支撑、混凝土支撑以及钢与混凝土的混合支撑。(1)钢支撑钢支撑具有自重轻、安装和拆除方便、施工速度快、可重复利用等优点,而且安装后能立即发挥支撑作用,对减小由于时间效应而增加的基坑位移十分有效,因此,对平面形状规则的基坑常采用钢支撑。但钢支撑节点构件和安装相对复杂,需要具有一定的施工技术水平,另外,钢支撑的预应力损失问题经常成为困扰施工人员的问题。


钢支撑一般采用钢管、型钢及其组合截面,主支撑常用较大规格 H700×300、H500×300、H400×400H型钢和 φ609×16(12)、φ580×16 钢管,八字撑常用较小规格H型钢或 φ299×10(8)钢管,支撑之间的联系杆常用工字钢、槽钢,立柱则常用 L120~ L180 角钢。为满足钢支撑稳定性要求,钢支撑受压杆件的长细比不应大于150,受拉杆件长细比不应大于 200。


(2)混凝土支撑

混凝土支撑是在基坑内现浇而成的结构体系,布置形式和方式基本不受基坑平面形状的限制,具有比钢支撑更大的刚度、更好的整体性,且施工技术相对简单,因而应用范围较广。但混凝土支撑需要较长的制作和养护时间,制作后不能立即发挥支撑作用,需要达到一定的强度后,才能进行土方开挖。此外,拆除混凝土支撑工作量大,一般需要采用爆破方法拆除,支撑材料不能重复使用,将产生大量的废弃混凝土。


在设计混凝土支撑时,混凝土的强度等级不应低于 C25,支撑构件的截面高度不宜小于其竖向平面内计算长度的1/20,纵向钢筋直径不宜小于16mm,沿截面周边的间距不宜大于 200mm;箍筋的直径不宜小于 8mm,间距不宜大于 250mm。


2、支撑形式

内支撑结构形式很多,从结构受力形式划分,可主要归纳为以下几类∶(1)水平对撑或斜撑,包括单杆、桁架、八字形支撑;(2)正交或斜交的平面杆系支撑;(3)环形杆系或板系支撑;(4)竖向斜撑。以上各类支撑结构类型见图 5.35。


上述(1)、(2)、(3)类属于平面支撑体系,视基坑深度及其他条件不同,可采用单或多层支撑,其构造简单,受力明确,使用范围广。竖向斜撑体系是将支挡构件上的水平荷载通过斜撑传到预先在基坑中部浇筑的斜撑基础上,它是先采用放坡开挖基坑中部土体,浇筑斜撑基础,然后安装斜撑,在斜撑的支挡下再挖除周边余下的土体。


内支撑结构宜采用对称平衡、整体性强、受力明确、连接可靠、施工方便的结构形式,并与主体地下结构的结构形式、施工顺序协调,便于主体结构施工,同时利于基坑土方开挖和运输。需要时,可考虑以内支撑结构作为施工平台。


3、平面布置

述内支撑形式可根据具体情况有多种布置形式。对各类支撑形式,支撑结构的布置要重视支撑体系总体刚度的分布,避免突变,尽可能使水平力作用中心与支撑刚度中心保持一致。


一般来说,对面积不大、形状规则的基坑常采用水平对撑,转角或基坑端部采用角撑,水平对撑可采用钢支撑或混凝土支撑,转角或端部宜采用混凝土支撑;对面积较大或

形状不规则的基坑有时需采用正交或斜交的平面杆系支撑或边桁架以及桁架对撑;对圆形、方形及近似圆形的多边形的基坑,为能形成较大开挖空间,可采用环形杆系或环形板系支撑;对深度较浅、面积较大基坑,可采用竖向斜撑。


在具体布置时,内支撑应尽量避开地下主体结构的墙、柱,以便于主体结构施工;为满足挖土机械作业的空间要求,相邻支撑的水平间距不宜小于 4m;水平支撑应设置与挡土构件连接的腰梁,当支撑设置在挡土构件顶部所在平面时,应与冠梁连接;水平支撑点在腰梁或冠梁上的间距,对钢腰梁不宜大于4m,对混凝土腰梁不宜大于9m;当需要采用相邻水平间距较大的支撑时,可在主支撑端部两侧对称设置八字斜撑杆与冠梁或腰梁连接,斜撑杆的长度不宜大于9m,斜撑杆与冠梁、腰梁之间的夹角宜取45°~60°,见图5.23。


当采用环形杆系支撑时,环梁宜采用圆形、椭圆形等封闭曲线,并且与腰梁或冠梁交汇;周边的辐射支撑应按使环梁弯矩、剪力最小的原则布置。


对于基坑阳角部位,斜撑应在阳角两边同时设置,见图5.33中的A点。支撑立柱的设置应避开主体结构的梁、柱及承重墙;对纵横双向交叉的支撑结构,立宜设置在支撑的交汇点处。立柱与立柱之间以及立柱与支撑端部之间的间距应根据支撑构件的稳定要求和竖向荷载的大小确定,对混凝土支撑不宜大于15m,对钢支撑不宜大于 20m,见图 5.33。


4、竖向布置

因基坑开挖深度、土体工程性质、周边环境保护要求以及土方施工要求的不同,支撑在竖向可采用单层或多层支撑,具体层数应按支挡结构计算要求确定。


采用多层支撑时,为便于土体开挖,并让各层水平支撑共用竖向支承立柱,各层水平支撑应布置在同一竖向平面内,且层间净高不宜小于3m。在环境条件许可的情况下,首层水平支撑轴线标高应尽量降低,并尽量与支挡结构冠梁相结合。分析和实测均表明,支挡结构的变形分布,一般越接近开挖面处变形越大,因此最下一道支撑的布置宜尽量降低,考虑到主体结构施工和土方开挖的要求,支撑至基底的净高不宜小于 3m。


设定的水平支撑标高应避开主体地下结构底板和楼板的位置,并应满足主体地下结构工对墙、柱钢筋连接的要求;当支撑下方的主体结构楼板在支撑拆除前施工时,支撑底面与下方主体结构楼板间的净距不宜小于 700mm。


5、立柱及立柱桩的设计

立柱是用于承受混凝土支撑或钢支撑杆件的自重等荷载的,根据支撑荷载的大小,一般采用角钢格构式钢柱、H 型钢钢柱或钢管柱或钢管混凝土等形式,其中角钢格构式钢柱因构造简单、便于加工且承载能力较大,在近年来的工程实践中,不论是采用钢支撑还是混凝土支撑,均是应用最广的。常用的格构式钢柱是采用4 根角钢用缀板拼接而成的。工程中常用的角钢是 L120×12、L140×14、L160×16、L180×18 等规格,在拼装时缀板从上至下应平行对称分布,不应采用交叉或斜向分布,以便于临时支撑主筋的穿越。



立柱截面构造应尽量简单,且因需要预先埋设,故其截面尺寸也不宜过大,但截面尺寸必须满足承载力要求,且长细比不宜大于25;立柱与水平支撑的连接可采用铰接,与平支撑的连接节点应易于施工;立柱穿过主体结构底板的部位,应有有效的止水措施。立柱下应有一个具有相应承载能力的桩基础,可利用主体工程桩,也可以是临时加设的。立柱桩一般采用灌注桩,也可采用钢管桩,当采用灌注桩作为立柱桩时,钢立柱锚入桩内的长度不宜小于立柱长边或直径的4倍。角钢格构式立柱及立柱桩的立面、截面以及节点图见图 5.36。


柱的接长应采用等强度连接,其连接构造应易于现场实施。角钢格构式立柱的拼接构造图见图 5.37。


6、腰梁设计

采用钢支撑时,腰梁可采用钢筋混凝土腰梁或钢腰梁,混凝土支撑采用混凝土腰梁。对于混凝土腰梁,混凝土的强度等级不应低于 C25,截面高度(水平方向)不宜小于其水平方向计算跨度的 1/10,截面宽度(竖向方向)不应小于支撑的截面高度。


采用对撑的位置,水平支撑与腰梁正交,采用角撑处或基坑局部不规则位置,支撑与腰梁斜交。无论正交或斜交,均应在支点处增加腰梁的抗剪性能。对于混凝土腰梁,可采用在支点处将腰梁的箍筋加密,对于斜撑,可再加设牛腿,见图5.38。对于钢腰梁,可采取将腰梁与支挡构件之间的空隙用不低于 C25 的混凝土嵌填密实并在其中增设剪力块的措施。


对于角撑或竖向斜撑,腰梁与支挡结构之间应采用能够承受剪力的连接措施。对于混凝土腰梁,支挡构件为地下连续墙时,可采取在地下连续墙上预留剪力槽;支挡构件为排桩时,可在桩间土挖出剪力槽,再与腰梁一起浇筑混凝土,见图5.39。对于钢腰梁,其连接措施与支撑与腰梁的连接措施相同,见图5.38 (b)。

桩时,可在桩间土挖出剪力槽,再与腰梁一起浇筑混凝土,见图 5.39。对于钢腰梁,其连接措施与支撑与腰梁的连接措施相同,见图 5.38 (b)。


7、节点构造设计

内支撑结构,特别是钢支撑结构,其整体刚度依赖与构件直角的合理连接。因此支撑结构的设计,除合理确定构件截面尺寸外,其构造设计也是非常重要的一环。支撑结构的节点构造主要有以下内容∶

(1)支撑构件的连接

支撑构件的接长应满足截面等强度要求,常用的连接方法有螺栓连接和焊接。螺栓连接施工方便,速度快,但整体性不如焊接好;焊接一般在现场拼接,由于焊接条件差,质量难以得到保证。实践中通常采用螺栓连接,为减少节点变形,一般采用高强螺栓连接。

(2)纵横方向钢支撑连接

对于正交平面杆系支撑,如图5.35(f)所示,纵横两个方向的钢支撑应尽可能设置在同一标高。当纵横两个方向的钢支撑为单根钢管支撑时,纵横交叉处采用定型的十字架连接;当纵横两个方向的钢支撑为双钢管支撑时,纵横交叉处采用定型的井字架连接。

(3)钢支撑端部预应力活络头

钢支撑预应力是通过活络头施加的。活络头一般设置在钢支撑的端部,也有采用螺旋千斤顶等设备设置在支撑中部的。设置在端部的活络头目前有两种,一种是契型活络端,种是箱体活络端。

钢支撑预应力的施加一般采用单面施加预应力,钢支撑另一端为固定端。在水平布置上,活络端和固定端应逐根交替间隔布置。

(4)支撑与腰梁以及腰梁与支挡构件之间的连接以及立柱角钢格构柱的节点构造分别见图5.38、图5.39及图5.36、图5.37。


8、预应力设置

通常,钢支撑结构应施加预应力,预加轴向压力可减小基坑开挖后支护结构的水平位移、检验支撑连接结点的可靠性。但如果预加轴向力过大,可能会使支挡结构产生反向变形、增大基坑开挖后的支撑轴力,同时也将使得支挡结构的内力增大。根据以往的设计和施工经验,预加力值宜取支撑轴向压力标准值的0.5~0.8倍,可通过弹性支点法计算的内力和变形进行调整,特殊条件下,不一定受此限制。


9、换撑设计

基坑土体的开挖阶段,内支撑为支挡结构提供了水平支撑,使得支挡结构的强度、变形和稳定性能满足要求。但到了地下结构施工阶段,为不妨碍施工,应随着地下结构的施工逐层拆除内支撑。换撑就是指在该阶段通过在支挡结构和地下结构之间设置合理的支撑,利用已经施工好的地下结构墙体和梁板承受支撑荷载,以替换原来的内支撑,达到变形控制和稳定要求。


换撑通常是在支挡结构和地下结构之间预留的施工作业空间设置换撑板带来完成,换撑板带的标高应分别对应地下结构层次标高,以利于支挡结构在换撑后最大限度的接近未换撑时的受力状态。换撑主要在三个部位完成∶

(1)支挡结构和基础底板之间的换撑

当支挡结构和地下结构之间空隙距离较小且基础底板厚度不大时,换撑可采用与基础底板同样厚度、混凝土强度等级也相同的素混凝土浇筑,由于换撑仅承受压力,因而无需进行配筋。当基础底板厚度超过1.0m 时,换撑厚度如果也与基础板厚度相同,则换撑混凝土用量较大,此时,换撑厚度可通过计算满足换撑传力要求即可,其余部分可采用填土填砂并密实处理即可。

(2)支挡结构和地下结构层之间的换撑

每道内支撑的拆除,均应在其下方的地下结构施工完毕并在相应部位设置换撑板带后方可进行。换撑板带一般应设置在地下结构有水平传力构件的位置,如基础底板、地下楼板处,见图5.40。


由于进行换撑板带施工时,地下室外墙模板尚未拆除,外墙防水以及填土工作尚未完成,因此,换撑板带应间隔设置开口,作为施工人员工作通道。开口不应小于1.0m×0.8m,间隔布置的间距一般控制在6.0m左右,可根据实际施工要求进行调整,见图5.41。

由于换撑板带需要承受施工人员的作业荷载,故应采用钢筋混凝土板带,并在支挡结构上设置一定数量的吊筋,同时将换撑板带钢筋锚入地下结构外墙,以解决其竖向支承问题。为避免建筑物使用阶段主体结构和支挡结构的差异沉降可能引发的问题,换撑板带和支挡结构之间应设置隔离材料,板带内锚入地下结构的钢筋应采用交叉形以削弱换撑板带与结构外墙之间的连接刚度。见图5.42。

对于结构后浇带位置与结构缺失部位,应采取相应措施进行换撑。


10、竖向斜撑设计


竖向斜撑一般用于开挖深度较浅但平面尺寸较大的基坑。它由斜撑基础、斜撑以及气梁组成,当斜撑的水平投影长度大于15m时应在其中部设置立杆,见图5.35(h)。斜撑一般使用钢管和型钢,其型号的选择与水平支撑钢管相似,斜撑坡率不宜大 1∶2,并尽量与已开挖土坡的稳定坡率一致,以便于斜撑的安装;斜撑基础与支挡构件a间的水平距离不宜小于支挡构件嵌固深度的1.5倍;斜撑与斜撑基础、冠梁之间以及冠多与支挡构件之间的连接应满足斜撑的水平分力和竖向分力的传递要求,斜撑基础的设置厅与主体结构底板施工互相协调。


竖向斜撑的腰梁和支撑基础上应设置牛腿或采用其他能够承受剪力的连接措施;腰与挡土构件之间应采用能够承受剪力的连接措施;斜撑基础应满足竖向承载力和水平承力要求;竖向斜撑安装前的支护结构应能够满足承载力、变形和整体稳定要求。