上海某基坑工程考慮冗余度的支撐體系設(shè)計(jì)

戴 國(guó) 霖

(上海電力建筑工程公司，上海 200437)

上海某基坑工程考慮冗余度的支撐體系設(shè)計(jì)

戴 國(guó) 霖

(上海電力建筑工程公司，上海 200437)

傳統(tǒng)環(huán)梁形式的水平支撐體系存在連續(xù)破壞的安全隱患，考慮冗余度設(shè)計(jì)方法，引入臨時(shí)轉(zhuǎn)換受力體系的設(shè)計(jì)思想，將角支撐設(shè)為主支撐，有效的增加了傳力路徑。留出足夠的時(shí)間進(jìn)行環(huán)形支撐的修復(fù)，從而避免基坑支撐體系發(fā)生連續(xù)破壞。該設(shè)計(jì)方法在上海某基坑工程中得到了應(yīng)用。

基坑工程，冗余度，連續(xù)破壞，環(huán)形支撐

1 概述

隨著城市建設(shè)發(fā)展，大面積深基坑的垮塌對(duì)周邊環(huán)境的影響越來(lái)越大，其支撐體系一旦發(fā)生連續(xù)倒塌，后果極其嚴(yán)重。傳統(tǒng)的基坑支撐體系設(shè)計(jì)沒有考慮基坑支護(hù)系統(tǒng)的連續(xù)破壞問(wèn)題，對(duì)基坑支護(hù)體系冗余度的評(píng)價(jià)方法及冗余度指標(biāo)等也缺乏針對(duì)性研究?；铀街误w系中環(huán)形水平支撐由于土方開挖方便、經(jīng)濟(jì)性良好，近年來(lái)在大面積深基坑中得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于環(huán)形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其發(fā)生整體破壞的可能性非常大，而破壞的后果極其嚴(yán)重。本文結(jié)合上海某基坑工程設(shè)計(jì)，對(duì)其支撐體系開展冗余度研究。采用拆除構(gòu)件法，對(duì)局部構(gòu)件破壞情況下的支撐體系進(jìn)行受力分析。在此基礎(chǔ)上，提出了少量增加工程量，有效增加冗余度的設(shè)計(jì)方法。

2 工程簡(jiǎn)介

2.1工程概況

項(xiàng)目位于上海虹橋臨空?qǐng)@區(qū)內(nèi)，建設(shè)區(qū)域范圍東至淞虹路，西北臨近園區(qū)內(nèi)多幢已建建筑物，南至金鐘路。包含三個(gè)地下2層地上8層的科研樓，地下2層規(guī)劃為人防設(shè)施及停車庫(kù)使用。建筑物上部8層，地下室2層，建筑高度為40 m，總建筑面積108 040.45 m2，其中地下建筑面積為45 109.62 m2?；A(chǔ)采用樁基+承臺(tái)梁板的形式，承臺(tái)高1 900 mm，承臺(tái)間拉梁高1 800 mm，工程樁全部采用鉆孔灌注樁。建筑物的±0.000對(duì)應(yīng)絕對(duì)標(biāo)高4.330 m。

基坑開挖深度10.5 m，總長(zhǎng)度233.1 m，最窄處寬度92.9 m，最寬處寬度112.9 m。

2.2地質(zhì)和水文條件

基坑工程設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

對(duì)工程有影響的地下水為淺層潛水(地下水高水位埋深為0.5 m，低水位埋深為1.5 m)和第⑤2-1層微承壓水。

表1 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)土層參數(shù)

2.3周邊環(huán)境

東側(cè)為正在進(jìn)行施工的淞虹路，路面標(biāo)高和場(chǎng)地標(biāo)高相近，約為絕對(duì)標(biāo)高3.350 m的淞虹路已經(jīng)鋪設(shè)完規(guī)劃管線，其中距離紅線一側(cè)約7 m為規(guī)劃電力電纜和信息管線，距離紅線約10 m為規(guī)劃上水管和燃?xì)夤埽嚯x紅線15 m為規(guī)劃上水管，距離紅線20 m為規(guī)劃雨水管，距離紅線29 m為規(guī)劃污水管。由于紅線距離基坑開挖邊界尚有一定距離，因此淞虹路下方管線距離基坑最近的規(guī)劃電力電纜、規(guī)劃信息管線力基坑開挖邊界距離大于20 m。

基坑西側(cè)距離紅線最近處為3 m，距離紅線最近的建筑物約8 m(基坑西南側(cè))采用300×300方樁作為樁基，樁長(zhǎng)27 m，樁頂絕對(duì)標(biāo)高+1.000。

南側(cè)的金鐘路距離紅線一側(cè)約2 m～4 m為規(guī)劃電力電纜和上水管，距離紅線約5 m為規(guī)劃信息管，距離紅線9 m為規(guī)劃雨水管，距離紅線13 m為規(guī)劃污水管。

北側(cè)為建設(shè)單位后期用地，寬度大于30 m。

3 基坑工程冗余度的概念

3.1廣義結(jié)構(gòu)冗余度

冗余度在關(guān)于連續(xù)倒塌的課題研究及文獻(xiàn)中被提及，但還沒有確切的定義。冗余度的作用概況以下兩點(diǎn)：1)提高結(jié)構(gòu)在一般荷載作用下的可靠度；2)降低結(jié)構(gòu)對(duì)偶然荷載的敏感性，即在偶然荷載作用下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部損壞后，將引起荷載的重分布，從而要求新的結(jié)構(gòu)承載路徑和承載方式。根據(jù)冗余度的作用可將結(jié)構(gòu)冗余度概況為：提高結(jié)構(gòu)整體性、增加結(jié)構(gòu)傳力路徑以抵御結(jié)構(gòu)瞬時(shí)連續(xù)倒塌的性質(zhì)。因此冗余度應(yīng)當(dāng)包括結(jié)構(gòu)體系冗余度和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的冗余度，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的冗余度又包括強(qiáng)度冗余度和剛度冗余度。

3.2基坑結(jié)構(gòu)的冗余度

根據(jù)基坑工程的特點(diǎn)，基坑結(jié)構(gòu)冗余度通常由結(jié)構(gòu)體系的冗余度和構(gòu)件的冗余度決定。以本文所述的基坑工程為例，環(huán)形支撐體系的冗余度包括支撐體系冗余度和環(huán)形支撐的冗余度。對(duì)環(huán)形支撐進(jìn)行拆除破壞，發(fā)現(xiàn)環(huán)形支撐在本基坑結(jié)構(gòu)體系中的靈敏度最高。因此，基于結(jié)構(gòu)體系的冗余度考慮應(yīng)當(dāng)增加傳力路徑，而非單一的由環(huán)形支撐起主要作用；基于構(gòu)件的冗余度包括強(qiáng)度冗余度和剛度冗余度，強(qiáng)度冗余度通過(guò)提高環(huán)形支撐的混凝土強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)，但由于通過(guò)提高強(qiáng)度提高冗余度的效率非常低，同時(shí)考慮支撐體系整體澆筑，以及不同強(qiáng)度的交界面的應(yīng)力集中等問(wèn)題，提高強(qiáng)度冗余度在本工程中并不可取。剛度冗余度則通過(guò)適當(dāng)放大環(huán)形支撐的截面以增加構(gòu)件的剛度冗余度，但考慮工程經(jīng)濟(jì)性，本文在本工程中采取該方法。以下將詳細(xì)介紹通過(guò)拆除構(gòu)件法，提高基坑結(jié)構(gòu)體系冗余度的工程方法。

4 考慮冗余度的支撐體系設(shè)計(jì)

4.1支撐體系設(shè)計(jì)方案

本工程共布置2道內(nèi)支撐，采用C30混凝土，各道標(biāo)高從上到下依次為-3.5 m，-8.3 m。

第1道,2道內(nèi)支撐平面布置見圖1。圖中編號(hào)為(1)的環(huán)形支撐是有限元分析軸力最大的位置，編號(hào)為(2)的環(huán)形支撐是有限元分析軸力最小的位置。

支撐內(nèi)力分析見表2。支撐平面最大變形Smax=33 mm。

表2 各道內(nèi)支撐控制情況最大內(nèi)力表

4.2支撐體系冗余度研究

由支撐體系內(nèi)力和變形可知，環(huán)形支撐的破壞會(huì)對(duì)基坑支撐體系的整體性造成較大的影響，當(dāng)環(huán)形支撐發(fā)生破壞時(shí)，支撐體系會(huì)發(fā)生連鎖反應(yīng)甚至整體垮塌。為此，本設(shè)計(jì)中引入了冗余度概念，考慮拆除桿件的冗余度設(shè)計(jì)方法，臨時(shí)轉(zhuǎn)變受力體系，避免在環(huán)形支撐發(fā)生局部破壞的情況下支撐體系整體垮塌，從而留出足夠的時(shí)間以修復(fù)環(huán)撐。

本文對(duì)第2道環(huán)形支撐的軸力最大和最小的兩個(gè)部位桿件拆除，即如圖1所示編號(hào)為(1)和(2)的支撐位置，破壞其原有的環(huán)形支撐體系，并將16道角支撐設(shè)計(jì)為主支撐，然后對(duì)其進(jìn)行受力分析。圖2為考慮冗余度的設(shè)計(jì)方案臨時(shí)受力體系圖，通過(guò)有限元分析考慮冗余度設(shè)計(jì)方案的臨時(shí)受力體系，得出支撐結(jié)構(gòu)的平面最大變形為46 mm。

可見，采用臨時(shí)受力體系通過(guò)少量增加工程量，即將16道角支撐截面放大，由連系支撐轉(zhuǎn)變?yōu)橹髦危稍谝欢ǔ潭壬峡刂浦谓Y(jié)構(gòu)的變形，最大變形46 mm，從而留出足夠的時(shí)間以修復(fù)環(huán)形支撐，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生整體的脆性破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在工程設(shè)計(jì)中考慮冗余度分析方法，對(duì)支撐體系進(jìn)行冗余度設(shè)計(jì)研究。對(duì)比了環(huán)形設(shè)計(jì)方案和考慮冗余度的設(shè)計(jì)方案，提出在少量增加工程量的情況下，提高基坑支撐體系抗連續(xù)破壞的能力。得到如下結(jié)論：1)本工程考慮冗余度，引入臨時(shí)轉(zhuǎn)換受力體系的設(shè)計(jì)思想，將角支撐設(shè)為主支撐，有效的增加了傳力路徑。留出足夠的時(shí)間進(jìn)行環(huán)形支撐的修復(fù)，從而避免基坑支撐體系發(fā)生連續(xù)破壞。2)對(duì)水平支撐體系進(jìn)行分析，確定體系在局部桿件拆除時(shí)的破壞位置，明確破壞的擴(kuò)散方式和影響范圍，最終得到支撐體系的整體破壞荷載，進(jìn)而結(jié)合冗余度分析確定水平支撐體系的關(guān)鍵構(gòu)件。3)對(duì)大面積復(fù)雜深基坑的支撐體系開展冗余度分析，優(yōu)化支撐設(shè)計(jì)，提高水平支撐系統(tǒng)的冗余度有非常重要的實(shí)際意義。在設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)提高關(guān)鍵構(gòu)件承載能力；在施工及使用過(guò)程中，應(yīng)對(duì)其加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與保護(hù)。

此外，大面積復(fù)雜深基坑，通常需要分期、分批拆除水平支撐，本文提出的連續(xù)破壞模擬方法也適用于對(duì)水平支撐拆除的模擬和安全評(píng)估。

[1] JGJ 120—99，建筑基坑支護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[2] DBJ 08—61—97，上海市標(biāo)準(zhǔn)基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[3] 鄭 剛，程雪松，張 雁.基坑環(huán)梁支撐結(jié)構(gòu)的連續(xù)破壞模擬及冗余度研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36(1):105-117.

Bracingsystemdesignofafoundationpitconsideringtheredundancyrate

DaiGuolin

(ShanghaiPowerCivilConstructionCompany,Shanghai200437,China)

Traditional ring-beam horizontal bracing system has the hidden danger of successive failure. The paper provides a new design method with change of the force system by considering the redundancy rate. The angle supports are treated as the main supports to effectively increase the force transfer pathway. In this case, sufficient time is saved for repairing the ring-beam bracing system to avoid the successive failure of the foundation pit. The design method was successfully applied in a foundation pit in Shanghai.

pit foundation, redundancy rate, successive failure, ring-beam bracing system

1009-6825(2017)29-0094-02

2017-08-05

戴國(guó)霖(1965- )，男，工程師

TU751

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