中穿H型鋼冠梁工程實(shí)踐與設(shè)計(jì)方法探討

黃志波， 林奇， 汪勇

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院， 福建 福州 350002； 2.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350118)

中穿H型鋼冠梁工程實(shí)踐與設(shè)計(jì)方法探討

黃志波1， 林奇2， 汪勇1

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院， 福建 福州 350002； 2.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350118)

隨著H型鋼排樁和型鋼水泥土攪拌墻(SMW工法)內(nèi)撐支護(hù)體系的廣泛運(yùn)用，中穿H型鋼混凝土冠梁引起的工程問題日益突顯。從工程現(xiàn)場(chǎng)及工程設(shè)計(jì)兩個(gè)方面入手，研究中穿H型鋼混凝土冠梁在工程應(yīng)用過程中存在的問題，進(jìn)而提出相應(yīng)的建議，對(duì)確保工程安全及完善中穿H型鋼混凝土冠梁設(shè)計(jì)方法具有重要意義。

H型鋼排樁； 冠梁； 基坑支護(hù)； 剪切破壞

隨著城市環(huán)境復(fù)雜程度和變形控制要求的提高，再加節(jié)約造價(jià)方面的需求，新型深基坑支護(hù)方式不斷出現(xiàn)，H型鋼排樁和型鋼水泥土攪拌墻(SMW工法)內(nèi)撐支護(hù)體系應(yīng)運(yùn)而生。中穿H型鋼混凝土冠梁引起的工程問題日益突顯，導(dǎo)致工程存在一定的安全隱患。目前，許多學(xué)者對(duì)H型鋼排樁和型鋼水泥土攪拌墻內(nèi)撐支護(hù)體系進(jìn)行深入的研究并取得一定的研究成果。陳茂德等[1]詳細(xì)介紹SMW工法并與H型鋼工具式內(nèi)支撐配合施工在武漢房地產(chǎn)交易大廈深基坑工程中的應(yīng)用，實(shí)踐表明該支護(hù)方法效果良好且降低成本。然而，關(guān)于H型鋼排樁和型鋼水泥土攪拌墻內(nèi)撐支護(hù)體系的研究成果主要集中在介紹具體工程的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)及其應(yīng)用效果[1-6]，未見涉及中穿H型鋼混凝土冠梁在應(yīng)用過程中的問題、受力特征及其設(shè)計(jì)理論等方面的研究成果。同時(shí)，關(guān)于混凝土冠梁的研究成果主要集中在對(duì)混凝土灌注樁冠梁的變形及受力研究[7-10]，未見與中穿H型鋼混凝土冠梁相似的研究成果。為此，本文通過研究中穿H型鋼混凝土冠梁在工程應(yīng)用過程中存在的問題，進(jìn)而提出相應(yīng)的建議。這些建議，有利于進(jìn)一步完善中穿H型鋼混凝土冠梁的設(shè)計(jì)理論。

1 中穿H型鋼混凝土冠梁及受荷機(jī)理

1.1 中穿H型鋼混凝土冠梁

H型鋼排樁和型鋼水泥土攪拌墻內(nèi)撐支護(hù)體系是指直接在地基土(或水泥土)中插H型鋼，再結(jié)合內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，如圖1。由于該圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的H型鋼在工程結(jié)束后拔出、回收再利用，使得H型鋼必須穿過混凝土冠梁，即形成中穿H型鋼混凝土冠梁，如圖2?；炷凉诹褐胁看┻^H型鋼，為了防止H型鋼與混凝土澆筑在一起，方便后期回收型鋼，實(shí)際工程中通常在H型鋼四周用20mm厚泡沫塑料與混凝土隔開，如圖3(JGJT 199-2010型鋼水泥土攪拌墻技術(shù)規(guī)程中規(guī)定型鋼與冠梁間的隔離應(yīng)采用不易壓縮的材料)。將該圍護(hù)體系與傳統(tǒng)灌注樁+內(nèi)撐的支護(hù)體系相比的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：其H型鋼在工程結(jié)束后可拔出再利用，材料損耗小、既節(jié)約造價(jià)，縮短工期，又環(huán)保節(jié)能。因此，該圍護(hù)體系廣泛應(yīng)用于基坑支護(hù)工程中。

圖1 H型鋼(SMW工法)樁內(nèi)撐支護(hù)體系局部示意圖Fig.1 Local schematic of the retaining system of H-beams(soil-cement mixed wall)

圖2 冠梁局部示意圖Fig.2 Local schematic of top beam

圖3 泡沫塑料包裹H型鋼Fig. 3 H-beams wrapped in foam plastics

1.2 受荷機(jī)理

H型鋼排樁和型鋼水泥土攪拌墻內(nèi)撐支護(hù)體系中，冠梁將各個(gè)H型鋼樁連接在一起形成整體，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度，改善H型鋼樁的受力性能和變形形態(tài)，H型鋼樁的受力簡(jiǎn)圖如圖4所示。通常冠梁起到約束H型鋼樁頂位移的作用，導(dǎo)致冠梁產(chǎn)生內(nèi)力。冠梁所受荷載的傳遞路徑為：土壓力→H型鋼樁→冠梁→支撐構(gòu)件。此時(shí)，冠梁可近似視為多跨連續(xù)梁或平面剛架計(jì)算，中穿H型鋼混凝土冠梁簡(jiǎn)化示意圖如圖5。

圖4 H型鋼樁受力簡(jiǎn)圖Fig.4 Mechanical diagram of H typed steel pile

圖5 中穿H型鋼混凝土冠梁簡(jiǎn)化示意圖Fig.5 Simplified schematic of concrete top beam entering through H-beams

2 工程應(yīng)用中存在的問題

2.1 冠梁在H型鋼處常出現(xiàn)裂縫破壞

圖6 冠梁裂縫Fig.6 Diagonal crack of top beam

混凝土冠梁中部穿過H型鋼，為了防止H型鋼與混凝土澆筑在一起，方便后期回收型鋼，實(shí)際工程中通常在H型鋼四周用泡沫塑料(或硬質(zhì)材料)與混凝土隔開，使得混凝土與H型鋼之間存在一定的縫隙。工程實(shí)踐過程中常發(fā)現(xiàn)冠梁在與H型鋼交接處經(jīng)常出現(xiàn)裂縫破壞，如圖6。其典型裂縫破壞模式如圖7。冠梁混凝土在H型鋼的作用下，由于斷面嚴(yán)重削弱，首先由內(nèi)角處出現(xiàn)混凝土裂縫，隨著剪力增大，裂縫逐漸向冠梁邊沿延伸，甚至出現(xiàn)向?qū)茄由觳⒇灤┕诹赫麄€(gè)高度，出現(xiàn)冠梁斜截面破壞，如圖7(a)；第2種情況是由于中穿冠梁的型鋼間距較密，兩型鋼間混凝土面積很小，型鋼間箍筋配筋量不足，在H型鋼和支撐的相互作用下，H型鋼樁間混凝土極易導(dǎo)致圖7(b)所示的撕裂裂縫，從而影響冠梁的整體性；第3種情況是由于H型鋼施工偏位，型鋼翼緣外冠梁混凝土厚度不足，導(dǎo)致H型鋼作用下冠梁沖切引起混凝土裂縫或破壞，如圖7(c)；第4種情況是對(duì)于圓拱型冠梁，由于中穿H型鋼造成冠梁抗壓截面的削弱，可導(dǎo)致型鋼翼緣外混凝土被壓碎破壞，如圖7(d)。

(a) 斜裂縫

(b) 水平裂縫

(c) 局部斜裂縫

(d) 混凝土壓碎區(qū)圖7 典型裂縫形式Fig.7 Typical fracture form

2.2 設(shè)計(jì)方法不完善

基坑支護(hù)工程是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它與場(chǎng)地的地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、工程規(guī)模、支護(hù)方法和開挖深度、施工方法和土方運(yùn)輸?shù)让芮邢嚓P(guān)。目前主要的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件：如Midas geox基坑支護(hù)設(shè)計(jì)平臺(tái)、理正深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件、啟明星基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件等均未考慮中穿H型鋼對(duì)冠梁截面削弱情況下的冠梁設(shè)計(jì)計(jì)算方法。規(guī)范指出了“冠梁的高度和寬度應(yīng)由設(shè)計(jì)計(jì)算確定，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮型鋼穿過對(duì)冠梁截面的削弱影響”，但并未明確計(jì)算內(nèi)容和計(jì)算方法。

中穿H型鋼混凝土冠梁實(shí)際受荷局部示意圖如圖8。由于目前缺少專門針對(duì)中穿H型鋼冠梁的設(shè)計(jì)理論，巖土工程師采用深基坑軟件進(jìn)行H型鋼排樁和型鋼水泥土攪拌墻內(nèi)撐支護(hù)體系設(shè)計(jì)時(shí)，先按照合力等效的原則對(duì)荷載進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化受荷如圖9，再將中穿H型鋼混凝土冠梁按照普通的混凝土矩形實(shí)體冠梁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。同時(shí)，為了考慮中穿H型鋼的影響，僅按照經(jīng)驗(yàn)在H型鋼兩側(cè)加密箍筋(如圖10)，或?qū)型鋼翼緣外冠梁混凝土進(jìn)行構(gòu)造加寬。

圖8 實(shí)際受荷示意圖Fig.8 Local schematic of actual load

圖9 簡(jiǎn)化受荷示意圖Fig.9 Simplified local schematic of load

圖10 冠梁配筋設(shè)計(jì)示意圖(單位：mm)Fig.10 Schematic of the design of top beam reinforcement(unit:mm)

該設(shè)計(jì)方法存在以下問題：

1)未考慮中穿H型鋼對(duì)混凝土冠梁截面強(qiáng)度和剛度的影響。與普通混凝土冠梁相比，中穿H型鋼截面削弱后，其受力性能和整體剛度變差，尤其在H型鋼密布時(shí)更為突出。在中穿H型鋼處極易存在應(yīng)力集中而局部破壞，而在支撐節(jié)點(diǎn)兩側(cè)極易出現(xiàn)剪壓(拉)破壞，其破壞模式更為復(fù)雜，與未削弱計(jì)算模型有很大的差異?？梢?，按照目前的設(shè)計(jì)方法存在一定的安全隱患。

2)按照經(jīng)驗(yàn)在H型鋼兩側(cè)加密箍筋和加厚翼緣外的混凝土，對(duì)考慮中穿H型鋼的影響有一定益處，但存在盲目性。實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)，型鋼的間距和型號(hào)不同，其截面削弱影響的差異很大。而施工過程H型鋼的偏位以及隔離材料的厚度可能影響更大。

3 設(shè)計(jì)方法建議

針對(duì)上述問題，建議設(shè)計(jì)中穿H型鋼混凝土冠梁時(shí)，荷載等效不能簡(jiǎn)單地按照普通混凝土矩形實(shí)體截面設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮中穿H型鋼對(duì)混凝土冠梁截面削弱后的強(qiáng)度、剛度影響及破壞模式。

3.1 普通混凝土冠梁矩形實(shí)體截面設(shè)計(jì)方法

將中穿H型鋼混凝土冠梁按照普通混凝土冠梁矩形實(shí)體截面進(jìn)行整體計(jì)算，按相應(yīng)的內(nèi)力(軸力、剪力和彎矩)進(jìn)行矩形實(shí)體截面驗(yàn)算與配筋，考慮截面削弱因素，需增加以下幾個(gè)方面的驗(yàn)算：

1)斜截面按扣除削弱面積后進(jìn)行剪壓(拉)強(qiáng)度驗(yàn)算。驗(yàn)算截面主要是在支撐點(diǎn)兩側(cè)，剪力可以采用實(shí)體連續(xù)梁計(jì)算的剪力值。

2)H型鋼翼緣外混凝土進(jìn)行抗沖切驗(yàn)算。可按圖8所示局部均布荷載進(jìn)行翼緣外混凝土的抗沖切能力驗(yàn)算。

3)樁間冠梁混凝土抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算。此時(shí)，計(jì)算寬度可取兩相鄰支撐點(diǎn)距離，荷載取圖8荷載值，對(duì)樁間混凝土進(jìn)行軸心抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算。

4)H型鋼翼緣外混凝土壓(拉)彎強(qiáng)度驗(yàn)算。對(duì)圓拱(拋物線拱、橢圓拱)形冠梁或兩斜撐間的冠梁段，尚應(yīng)進(jìn)行壓(拉)彎強(qiáng)度驗(yàn)算。

由于扣除削弱面積后，樁間混凝土和H型鋼翼緣外混凝土的構(gòu)件截面較小，因此，在驗(yàn)算時(shí)宜結(jié)合地區(qū)質(zhì)量水平和工藝水平，考慮一定的偏心距影響或截面調(diào)整系數(shù)。

3.2 其他設(shè)計(jì)方法

(1)剛架計(jì)算法

當(dāng)冠梁樁間混凝土寬度大于1/2 H型鋼高度時(shí)，可將穿H型鋼混凝土冠梁視為混凝土剛架進(jìn)行截面驗(yàn)算。其中H型鋼翼緣兩側(cè)混凝土構(gòu)成兩根剛桿，H型鋼間的混凝土視為與兩根剛桿構(gòu)成剛節(jié)點(diǎn)，荷載按圖8所示局部均布(或簡(jiǎn)化為集中)荷載考慮。根據(jù)不改變結(jié)構(gòu)的主要受力及變形特征的原則簡(jiǎn)化得到剛架的計(jì)算簡(jiǎn)圖，采用矩陣位移法等方法計(jì)算該剛架內(nèi)力，進(jìn)而進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。

(2)組合結(jié)構(gòu)計(jì)算法

當(dāng)冠梁樁間混凝土寬度小于1/2 H型鋼高度時(shí)，可將穿H型鋼混凝土冠梁視為組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行截面驗(yàn)算。其中，H型鋼翼緣兩側(cè)混凝土構(gòu)成兩根連續(xù)(深)梁，H型鋼間的混凝土視為與兩根連續(xù)(深)梁構(gòu)成鉸節(jié)點(diǎn)，荷載按圖8所示局部均布(或簡(jiǎn)化為集中)荷載考慮。根據(jù)不改變結(jié)構(gòu)的主要受力及變形特征的原則簡(jiǎn)化得到組合結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖，采用矩陣位移法等方法計(jì)算該組合結(jié)構(gòu)內(nèi)力，進(jìn)而進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。

(3)有限元計(jì)算法

采用有限元軟件對(duì)中穿H型鋼混凝土冠梁進(jìn)行非線性分析。研究混凝土及鋼筋的應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律及塑性區(qū)，找出其最危險(xiǎn)截面，分析最可能的破壞模式。最后，根據(jù)最可能的破壞模式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

4 結(jié)論

中穿H型鋼混凝土冠梁一定程度上削弱了冠梁的強(qiáng)度、剛度，尤其在H型鋼密集布置時(shí)影響較大。采用傳統(tǒng)的矩形實(shí)體截面設(shè)計(jì)，在工程應(yīng)用中存在裂縫、壓碎和破壞等安全隱患。建議采用普通混凝土冠梁矩形實(shí)體截面設(shè)計(jì)方法時(shí),應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的破壞模式進(jìn)行截面復(fù)核驗(yàn)算。有條件時(shí)可結(jié)合有限元計(jì)算法、剛架計(jì)算法和組合結(jié)構(gòu)計(jì)算法進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。

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(責(zé)任編輯： 陳雯)

Discussion on engineering practice and design method of the top beam entering through H-beams

Huang Zhibo1， Lin Qi2， Wang Yong1

(1. Jinshan College, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; 2. College of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

With the widely usage of the inner retaining system of H-steel row piles and composite steel soil-cement mixed diaphragm wall (SMW)， engineering problems caused by the concrete top beam entering through H-beams have become increasingly prominent. Tackling the problems of the concrete top beam entering through the H-beams was discussed in the aspects of engineering site and engineering design. Corresponding treatment measures were proposed to ensure the safety of the project and to improve the design of the concrete top beam entering through H-beams.

H-steel row pile; top beam; foundation pit support; shear failure

10.3969/j.issn.1672-4348.2017.03.004

2017-03-23

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA15641)；福建省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201614046022)

黃志波(1988- )，男，福建南安人，講師，碩士，研究方向：巖土和地下工程。

TU47

A

1672-4348(2017)03-0219-05