雙肢格構(gòu)柱鋼支撐在大跨度洞室中的應(yīng)用

摘要：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際需要，對(duì)水利隧洞工程中的大跨度洞室鋼支撐進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使用了相比實(shí)腹式鋼支撐更能提高承載能力和減少耗材的格構(gòu)式軸心受壓柱(簡(jiǎn)稱格構(gòu)柱)，從而降低了施工成本，提高了大跨度洞室施工穩(wěn)定安全。

關(guān)鍵詞：大跨度洞室鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼支撐格構(gòu)柱

中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1 工程概況及設(shè)計(jì)原始條件

錦屏二級(jí)水電站4條引水隧洞末端各設(shè)有一座上游調(diào)壓室。調(diào)壓室由原來(lái)招標(biāo)文件的阻抗式加擴(kuò)大上室型式改變?yōu)榱瞬顒?dòng)式結(jié)構(gòu)，閘門井兼作升管，為“一洞一室兩機(jī)”布置型式。每座調(diào)壓室主要由阻抗孔、調(diào)壓室豎井、事故閘門布置有關(guān)的閘墩、閘門檢修和啟閉平臺(tái)、閘門后通氣孔、調(diào)壓室底部分岔段等組成。

工程區(qū)巖性為微風(fēng)化T2y5-2花斑狀大理巖，斷層不發(fā)育，裂隙較發(fā)育。

1#、2#壓室圍巖較完整，局部較破碎，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，部分為Ⅳ類；調(diào)壓室無(wú)大的不利結(jié)構(gòu)面組合，成洞條件總體較好。3#、4#調(diào)壓室開(kāi)挖后圍巖以Ⅲ類為主，部分Ⅳ類，少量Ⅱ類，巖體完整性較差，y巖石較破碎，存在部分薄層狀及碎裂散體結(jié)構(gòu)；由于調(diào)壓室底部設(shè)計(jì)開(kāi)挖頂高程為1574.2m，底部高程為1562.70m，總高度約為11.5m，跨度為18m，實(shí)際開(kāi)挖后成型高度為10.7m。由于跨度大且圍巖較差，為保證調(diào)壓室底部及豎井開(kāi)挖施工的安全順利進(jìn)行，特對(duì)調(diào)壓室底部進(jìn)行兩排鋼支撐支護(hù)，以減少跨度從而保證洞室穩(wěn)定，同時(shí)考慮到采用大型型鋼整體支撐，施工成本過(guò)高。因此在此處采用雙肢槽鋼格構(gòu)柱鋼支撐，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

雙肢格構(gòu)柱設(shè)計(jì)條件及參數(shù)如下：

雙肢格構(gòu)柱為兩端用鋼板牢固焊接的立柱由2根槽鋼組成，兩槽鋼之間通過(guò)橫向、斜向綴條（L45*5槽鋼）連接成一榀雙肢格構(gòu)柱，其截面形狀如圖1（雙肢格構(gòu)柱截面）所示。已知：柱長(zhǎng)L=10.70m，材料抗壓強(qiáng)度(根據(jù)鋼《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003)且取槽鋼的寬為h，格構(gòu)柱的寬為b，其中y-y軸為格構(gòu)柱的實(shí)軸，x-x為格構(gòu)柱的虛軸；整個(gè)調(diào)壓室底部由兩排格構(gòu)柱鋼支撐組成，每排10榀共20榀格構(gòu)柱鋼支撐,每排鋼支撐中每榀鋼支撐的間距為1.0m(見(jiàn)圖2 )。

圖1雙肢格構(gòu)柱截面圖

圖2 調(diào)壓室底部鋼支撐支護(hù)示意圖

2格構(gòu)柱鋼支撐的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1作用在格構(gòu)柱上圍巖壓力計(jì)算

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》，薄層狀及碎裂散體結(jié)構(gòu)的圍巖，作用在格構(gòu)柱鋼支撐上的均布圍巖壓力為

(1)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙得調(diào)壓室底部的跨度為B=18.0m，由于受地質(zhì)情況不可預(yù)見(jiàn)的因素較多，為提高支護(hù)的安全性，這里取最大系數(shù)0.3進(jìn)行驗(yàn)算，將0.3代入(1)式中得：

為使格構(gòu)柱成為處于理想狀態(tài)下的軸心受壓構(gòu)件，則每排格構(gòu)柱兩側(cè)各取相等距離范圍的巖體作為巖體計(jì)算范圍且取巖體范圍長(zhǎng)度為4.2m，因?yàn)楦駱?gòu)柱的架設(shè)實(shí)際上是減少調(diào)壓室底部的跨度，兩排格構(gòu)柱之間的巖體由于自身拱的作用而滿足穩(wěn)定要求，且邊墻與格構(gòu)柱之間的巖體的圍巖壓力由兩側(cè)邊墻及格構(gòu)柱共同承擔(dān)，這里假設(shè)取格構(gòu)柱的寬為b=0.5m,每排格構(gòu)柱中的各格構(gòu)柱之間的距離為1.0m,這樣重心基本落在鋼支撐上的巖體面積為：

按軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行承載力復(fù)核，且考慮其安全性，取1.5的安全系數(shù)，那么每榀格構(gòu)柱鋼支撐承受的軸向力為：

這里取N=1430kN。

2.2 格構(gòu)柱鋼支撐的計(jì)算

(1) 選定槽鋼型號(hào)

由于鋼支撐兩端端部用鋼板焊接后再與調(diào)壓室底部已打錨桿牢固焊接，即格構(gòu)柱兩端為剛性連接，故根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》得格構(gòu)柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為k=0.65，那么有格構(gòu)柱鋼支撐的計(jì)算長(zhǎng)度：

取

假設(shè)取格構(gòu)柱繞實(shí)軸的長(zhǎng)細(xì)比(試算法計(jì)算過(guò)程)，按b類截面查表(《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003)得，格構(gòu)柱穩(wěn)定系數(shù)為，假設(shè)槽鋼角的厚度,由整體穩(wěn)定條件有：

又因?yàn)椋捎脠D1所示的截面形狀，一般，則有，查型鋼表得雙肢均選用槽鋼[28b，得 [28b槽鋼的相關(guān)數(shù)據(jù)

,則有在格構(gòu)柱中繞實(shí)軸的極慣性距為。

(2) 驗(yàn)算實(shí)軸整體穩(wěn)定

按b類截面查表(《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003)得，格構(gòu)柱穩(wěn)定系數(shù)為，則有：

故格構(gòu)柱鋼支撐整體穩(wěn)定性滿足要求。

(3) 確定分肢形心距c及截面尺寸b

綴條均采用角鋼∠45*5，則有，取斜綴條與分肢夾角為，因?yàn)?，所以有?/p>

因?yàn)椋?/p>

所以：。

此處是設(shè)計(jì)選擇，顯然以此重算易得，那么可知穩(wěn)定系數(shù)相比增大。

故格構(gòu)柱鋼支撐繞虛軸整體穩(wěn)定性滿足要求。

(4) 驗(yàn)算分肢穩(wěn)定

假設(shè)綴條匯交點(diǎn)在柱外邊緣處，則取。

查表可得穩(wěn)定系數(shù)相比更高即穩(wěn)定性更好，故不必再做計(jì)算可得分肢穩(wěn)定滿足要求。

(5) 綴條內(nèi)力計(jì)算

綴條內(nèi)力計(jì)算公式為：

(2)

其中對(duì)于Q-235鋼屈服強(qiáng)度，故將數(shù)據(jù)代入(2)式可得：

那么對(duì)于一側(cè)斜綴條：

對(duì)于一側(cè)橫綴條：

(6) 綴條承載力驗(yàn)算

顯然承載力以斜綴條起控制作用，故此處只驗(yàn)算斜綴條的承載力。

，那么有

查規(guī)范得穩(wěn)定系數(shù)，規(guī)范規(guī)定，單面連接的角鋼在穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以折減系數(shù)，那么有

所以有：

故綴條承載力完全滿足要求。

(7) 在此格構(gòu)柱鋼支撐的施工過(guò)程中必須嚴(yán)格控制焊接工藝和質(zhì)量，故在此綴條端和分肢端部的焊接強(qiáng)度驗(yàn)算略。

綜上所述設(shè)計(jì)的每榀格構(gòu)柱鋼支撐都滿足要求，但由于鋼支撐將承受擴(kuò)挖施工過(guò)程溜渣井內(nèi)石渣的反復(fù)沖擊，為增加其穩(wěn)定性，每榀鋼支撐又通過(guò)∠45×5的角鋼連接為一整體，使穩(wěn)定系數(shù)可以相應(yīng)提高，這樣也提高此支護(hù)的整體穩(wěn)定性和安全性，綜上所述則得整個(gè)格構(gòu)柱鋼支撐滿足要求。

3結(jié)語(yǔ)

工程中一般均采用單根型鋼做鋼支撐進(jìn)行洞室支護(hù)，通過(guò)對(duì)此格構(gòu)柱鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從一個(gè)受力構(gòu)件的受力狀況分析，對(duì)于實(shí)腹式鋼梁，橫截面的中部受力較小，可以挖去，如果挖去的鋼材，加到受力較大的部分，則使得斷面尺寸在相同耗材的前提下，格構(gòu)式鋼支撐的承載能力要比實(shí)腹式增大了很多。因此，在以后相應(yīng)工程中，使用格構(gòu)柱不但能提高支護(hù)的安全性，而且也能有效的降低成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任治章.壓桿穩(wěn)定設(shè)計(jì)的直接法.力學(xué)與實(shí)踐，1993(1)：66～69

[2] 任治章.等邊角鋼四肢方陣式格構(gòu)柱截面設(shè)計(jì)的近似方法.力學(xué)與實(shí)踐，1997(2)：59～60

[3] 張艷霞，張麗霞.格構(gòu)式軸心受壓柱設(shè)計(jì)方法的改進(jìn). 北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，第 20 卷 第 1 期

[4] 劉鴻文.材料力學(xué)(第四版)上冊(cè).北京：高等教育出版社，2004

[5] 龍馭球，包世華等.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程(Ⅰ).北京：高等教育出版社，1999

作者簡(jiǎn)介：

任明（1975.04-），男，四川閬中，項(xiàng)目常務(wù)副經(jīng)理，工程師，從事項(xiàng)目管理工作。