抬梁在某基坑工程大跨度內(nèi)支撐體系中的應(yīng)用

呂善國(guó)

（南京南大巖土工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京211800）

1 工程概況

本基坑工程位于南京市鼓樓區(qū)，地庫為二層滿堂地下室?；娱_挖面積約11424m2，支護(hù)周長(zhǎng)約478m，挖深9.2～11.6m?；幽蟼?cè)為地下管網(wǎng)密布的市政道路，基坑?xùn)|側(cè)緊臨多棟已建3～7層老舊建筑物，北側(cè)和西側(cè)為待開發(fā)空地。未來地鐵五號(hào)線雙線盾構(gòu)隧道將從本基坑正下方斜穿而過，基坑總平面圖見圖1。雙線盾構(gòu)隧道及保護(hù)區(qū)在本基坑內(nèi)所占面積較大，而待建地鐵隧道范圍內(nèi)又無法設(shè)立柱樁，導(dǎo)致跨越盾構(gòu)隧道區(qū)域的內(nèi)支撐主梁跨度達(dá)到18～23 米。為克服上述困難，設(shè)計(jì)方案充分結(jié)合隧道走向通過設(shè)置抬梁（抬梁跨度18～20 米）來解決大跨度主支撐的豎向受力問題。本項(xiàng)目基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為灌注樁（局部SMW 工法樁）加二層鋼筋砼支撐支護(hù)形式，四周設(shè)置封閉式三軸深攪樁止水。

圖1 總平面圖

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

工程場(chǎng)地地形總體較平坦，局部地勢(shì)因堆土高低稍有起伏,屬長(zhǎng)江漫灘地貌單元。場(chǎng)地自上而下范圍內(nèi)巖土層主要由填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、卵礫石混中粗砂、強(qiáng)風(fēng)化糜棱巖、中風(fēng)化糜棱巖等組成，各土層物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1 所示。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，地下水主要為孔隙潛水，賦存于填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土中，潛水與鄰近長(zhǎng)江水呈互補(bǔ)關(guān)系。局部承壓水賦存于下部卵礫石混中粗砂層中。由于上覆相對(duì)隔水層較厚，承壓含水層對(duì)本基坑工程影響較低。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

3 抬梁的設(shè)計(jì)

3.1 抬梁計(jì)算模型

此處抬梁為簡(jiǎn)支梁，梁的兩端與格構(gòu)柱連接，大跨度內(nèi)支撐梁大致布置在抬梁中部范圍，抬梁和內(nèi)支撐梁的布置見圖2。抬梁主要承受大跨度內(nèi)支撐梁傳遞的豎向荷載及自身自重。其受力計(jì)算模型如圖3。計(jì)算時(shí)抬梁自重可簡(jiǎn)化為均布荷載q1，大跨度支撐梁傳遞的豎向荷載簡(jiǎn)化為集中荷載F。

圖2 大跨度內(nèi)支撐梁及抬梁現(xiàn)場(chǎng)布置圖

圖3 抬梁受力計(jì)算模型

3.2 抬梁受力計(jì)算

本項(xiàng)目?jī)?nèi)支撐體系中的抬梁為純受彎構(gòu)件，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)先按正截面受彎承載力計(jì)算，再進(jìn)行撓度驗(yàn)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定梁的截面尺寸和配筋。

抬梁跨度為18～20 米，設(shè)計(jì)計(jì)算取抬梁跨度20 米進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算確定抬梁高寬尺寸為1500×1100mm，砼等級(jí)為C35，受拉區(qū)鋼筋為20 根Φ32 鋼筋（HRB400），受壓區(qū)為10 根Φ32鋼筋（HRB400），箍筋為Φ12@200 為6～8 肢箍，箍筋鋼筋等級(jí)為HPB300。為減輕抬梁自重在梁內(nèi)設(shè)置4 根Φ250PVC 管及2根Φ250 鋼管。抬梁設(shè)計(jì)截面如圖4。

圖4 抬梁截面示意圖

抬梁彎矩計(jì)算：

（1） 大跨度支撐梁跨度為23 米，梁截面尺寸為800×800mm，則豎向荷載F 作用彎矩：

F=0.8×0.8×25×23/2=184KN

M1=FL/4=184×20/4=920kN.m

（2）抬梁自重荷載q1作用：

q1=（1.1×1.5-6×3.14×0.1252）×25=33.9kN/m

M2=33.9×202/8=1695kN.m

M總=920+1695=2615kN.m

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]相關(guān)公式，計(jì)算得到抬梁短期剛度如下：

BS=4.950127E+015N.mm2

根據(jù)力學(xué)公式分別計(jì)算F 和q1作用下抬梁撓度：

3.3 抬梁有限元模擬計(jì)算

3.3.1 模型的建立

采用ANSYS 有限元軟件對(duì)抬梁作非線性分析，即分析抬梁的受力、變形及開裂情況[2]。抬梁數(shù)值模擬計(jì)算的長(zhǎng)度、截面尺寸、配筋及施加的荷載等取按力學(xué)公式計(jì)算的結(jié)果。混凝土及鋼筋的材料計(jì)算參數(shù)見表2?？紤]模型的對(duì)稱性，建立1/2 模型長(zhǎng)度，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束[3]。本次模擬采用分離式模型，即混凝土采用SOLID65 實(shí)體單元來模擬，鋼筋采用空間管單元PIPE20 來模擬。鋼筋采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型[3]，混凝土采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（KINH）,應(yīng)力- 應(yīng)變曲線采用二次曲線+直線[4]（使用TBPT 命令輸入），ANSYS 中采用W-W 五參數(shù)破壞準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則組合模式來模擬混凝土的開裂和壓碎?；炷亮芽p張開傳遞系數(shù)取0.4，裂縫閉合傳遞系數(shù)取1.0，關(guān)閉壓碎開關(guān)[3]。為簡(jiǎn)化計(jì)算便于計(jì)算收斂，不考慮鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)和滑移。混凝土自重及豎向荷載分別按均布力和集中力施加在模型上表面。具體模型網(wǎng)格劃分如圖5、圖6 和圖7 所示。

圖5 抬梁網(wǎng)格模型剖面圖

圖6 抬梁全模型網(wǎng)格圖

圖7 鋼筋及鋼管有限元模型

表2 材料參數(shù)

3.3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

圖8 抬梁全模型豎向位移圖

圖9 混凝土單元第一主應(yīng)力圖

圖10 抬梁半模型混凝土裂縫分布圖

圖11 鋼筋主應(yīng)力分布圖

從圖8 可以看出，抬梁受力后最終豎向變?yōu)?4.85mm，模擬結(jié)果與力學(xué)公式計(jì)算結(jié)果接近。從圖9 可以看出，抬梁中部局部單元第一主應(yīng)力達(dá)到2.3MPa,超過設(shè)計(jì)值，砼出現(xiàn)開裂。圖10為砼裂縫開裂位置分布圖。從圖11 可以看出，受拉鋼筋主應(yīng)力最大值為169.71MPa,小于鋼筋抗拉強(qiáng)度值。

4 抬梁豎向變形現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

實(shí)際施工過程中在抬梁和大跨度梁中部位置布置了位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，圖12 為測(cè)點(diǎn)布置平面圖。從圖13 監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，抬梁豎向最大沉降量為6.59mm，遠(yuǎn)小于力學(xué)公式與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，主要原因是設(shè)計(jì)和施工均采取了進(jìn)一步減小抬梁撓度相關(guān)措施：

a.在實(shí)際施工中抬梁和大跨度梁均采取了起拱措施。

b.為減輕大跨度內(nèi)支撐梁的自重，在大跨度梁內(nèi)部設(shè)置了2根Φ250 鋼管，鋼管內(nèi)部不澆筑砼，大大減輕梁的自重。

5 結(jié)論

本文主要討論了抬梁在大跨度內(nèi)支撐體系中的應(yīng)用，運(yùn)用抬梁力學(xué)模型計(jì)算、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法為抬梁的設(shè)計(jì)與施工提供了一種實(shí)際可行的途徑。并得出如下結(jié)論：

5.1 工程實(shí)踐證明，抬梁的力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果是合理可行的。

圖12 抬梁及大跨度梁位移測(cè)點(diǎn)R1～R7 布置平面圖

圖13 R1～R7 測(cè)點(diǎn)豎向沉降～時(shí)間變化圖

5.2 采用ANSYS 有限元軟件對(duì)抬梁作非線性分析不僅進(jìn)一步印證了力學(xué)模型計(jì)算的可行性，同時(shí)為抬梁的設(shè)計(jì)提供了另一種可行的手段。

5.3 對(duì)抬梁的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)和施工中所采取的進(jìn)一步減小抬梁撓度的措施是有效的。