雷永強(qiáng)，韓建剛

（1.深圳高速工程顧問(wèn)有限公司，廣東 深圳 518094；2.海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570208）

0 引言

隨著我國(guó)現(xiàn)代科技和城市建設(shè)的飛速發(fā)展，建筑施工技術(shù)越來(lái)越成熟，高層建筑需求越來(lái)越大，基坑支護(hù)難度也隨之變大，施工方必須通過(guò)施加水平支撐以滿(mǎn)足基坑頂部、深層土體的位移在規(guī)范允許范圍內(nèi)，從而保證基坑周?chē)ǎ?gòu)）筑物、道路等設(shè)施在基坑回填之前，不會(huì)因基坑開(kāi)挖或降水導(dǎo)致大的沉降變形而影響到這些設(shè)施的正常使用。同時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)雖作為一個(gè)臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，其造價(jià)占據(jù)全部工程造價(jià)的比例不可小覷。因此，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)以安全為前提，選擇最優(yōu)支護(hù)方案，以達(dá)到降低造價(jià)、便于施工和縮短工期的目的，這就使得技術(shù)人員必須改變?cè)鹊难芯克悸?，?jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和深入研究，使越來(lái)越多新的技術(shù)在實(shí)踐中產(chǎn)生并迅速發(fā)展。

近些年來(lái)，因相關(guān)地方法規(guī)及施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的限制，放坡、樁錨支護(hù)等體系的應(yīng)用受到影響，內(nèi)支撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸成為深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中水平支撐體系的首選，成熟的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)將對(duì)基坑安全起到越來(lái)越重要的作用。評(píng)價(jià)一種支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣一般是以質(zhì)量、造價(jià)和工期作為標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土內(nèi)支撐、型鋼支撐、鋼管支撐在這些方面均存在不足之處，裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)是從國(guó)外引進(jìn)并發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，該系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)裝配連接，無(wú)需焊接，可顯著縮短支護(hù)工期。而且預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁可根據(jù)需要調(diào)節(jié)基坑的變形，是一種能夠兼顧安全、經(jīng)濟(jì)及工程進(jìn)度的支護(hù)系統(tǒng)。目前，因國(guó)內(nèi)工程人員對(duì)該系統(tǒng)認(rèn)識(shí)不足，使其應(yīng)用受到很大限制。基于此，本文結(jié)合?？谑心郴庸こ?，對(duì)裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐系統(tǒng)進(jìn)行研究分析。

1 裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)組成及工作原理

1）系統(tǒng)組成 裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)IPS）主要由魚(yú)腹梁結(jié)構(gòu)、對(duì)撐結(jié)構(gòu)、角撐結(jié)構(gòu)、連系桿、三角形節(jié)點(diǎn)及立柱等組成，它是一個(gè)完整的立體支撐系統(tǒng)。其中，魚(yú)腹梁結(jié)構(gòu)由圍檁、腹桿、預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)組成，如圖1所示。

圖1 魚(yú)腹梁結(jié)構(gòu)

2）工作原理 在三角鍵處對(duì)鋼絞線(xiàn)進(jìn)行錨固并對(duì)鋼絞線(xiàn)施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力通過(guò)腹桿傳到圍檁上，使魚(yú)腹梁結(jié)構(gòu)受到向基坑外的作用力，在這個(gè)作用力下，基坑將向外產(chǎn)生預(yù)先變形。開(kāi)挖后，基坑外水土壓力作用將會(huì)被預(yù)應(yīng)力的作用減小甚至抵消，從而有效保證基坑開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某項(xiàng)目位于?？谑?，占地面積約2385.75m2，總建筑面積50535.36m2，建筑上部采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為樁+筏基礎(chǔ)，設(shè)3層地下室，室外標(biāo)高±0.000=4.50m（秀英高程），現(xiàn)場(chǎng)地面標(biāo)高約4.00m，基坑開(kāi)挖深度約15.50m，周長(zhǎng)約240m，面積約3420m2，其側(cè)壁安全等級(jí)均為一級(jí)。

根據(jù)勘察報(bào)告，基坑設(shè)計(jì)主要涉及以下土層：①層雜填土全場(chǎng)地范圍內(nèi)均有，厚1.2～2.2m，松散狀，欠壓實(shí)，工程性能差，均勻性較差；②層中砂 分布于局部場(chǎng)地，厚0.6～3.5m，飽和，松散狀，實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)N=6～8擊，平均7擊，地基承載力特征值fak=150kPa；③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土 分布于全場(chǎng)地，厚度0.80～5.70m，實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)N=1～2擊，地基承載力特征值fak=70kPa；④層粗砂 分布于全場(chǎng)地，厚1.50～4.80m，飽和，中密，實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)N=16～19擊，平均17擊，地基承載力特征值fak=220kPa；⑤層粉質(zhì)黏土分布于全場(chǎng)地，該層沒(méi)有揭穿，厚36.70～66.40m，硬塑-堅(jiān)硬狀，為超固結(jié)土，局部已半固結(jié)成巖，實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)N=16～52擊，平均33擊，地基承載力特征值fak=280kPa。

2.2 裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)有限元分析

2.2.1 支護(hù)方案

基坑周?chē)嚯x道路、建筑物較近，無(wú)足夠的放坡空間，基坑開(kāi)挖深度15.50m，采用排樁+預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐系統(tǒng)+高壓旋噴樁的支護(hù)形式，支撐平面布置為角撐、對(duì)撐與魚(yú)腹梁結(jié)構(gòu)相結(jié)合的形式。

2.2.2 計(jì)算模型

模型大小及基坑開(kāi)挖范圍與原支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維模型相同，均據(jù)實(shí)際工程情況建模。支護(hù)結(jié)構(gòu)方面，南、北側(cè)魚(yú)腹梁結(jié)構(gòu)跨度27.5m，矢高6m；東西側(cè)魚(yú)腹梁結(jié)構(gòu)跨度38m，矢高6.8m。結(jié)構(gòu)中除鋼絞線(xiàn)采用桿單元模擬外，其他魚(yú)腹梁支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。圖2和圖3分別為預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)的三維有限元模型。

圖2 三維有限元網(wǎng)格

圖3 基坑支護(hù)平面

2.2.3 單元材料參數(shù)

1）1，2層圍檁 H498×432×45×70型鋼，面積 A＝0.07708m2，采用梁?jiǎn)卧M。

2）3層圍檁 雙拼H498×432×45×70型鋼，面積A＝0.15416m2，采用梁?jiǎn)卧M。

3）對(duì)撐 H400×400×13×21型鋼，面積A=0.02195m2，采用梁?jiǎn)卧M。

4）連系桿 H400×400×13×21型鋼，面積A=0.02195m2，采用梁?jiǎn)卧M。

5）角撐 H400×400×13×21型鋼，面積A=0.02195m2，采用梁?jiǎn)卧M。

6）鋼絞線(xiàn) 15.2鋼絞線(xiàn)，面積A=0.00014m2，采用桿單元進(jìn)行模擬，鋼絞線(xiàn)數(shù)量根據(jù)施加的預(yù)應(yīng)力而定。

7）三角形結(jié)點(diǎn)區(qū) 此區(qū)域與單根型鋼相比，面積與剛度大，近似于1個(gè)剛域，采用梁?jiǎn)卧獙?duì)其模擬時(shí)，將梁截面值取大，可達(dá)到模擬剛域的效果，本次分析中取三角形結(jié)點(diǎn)區(qū)面積A=1.0m2。

2.2.4 施加荷載條件

施加荷載按實(shí)際情況考慮，除土體自重外，在基坑西側(cè)有寬20m，距坑邊距離為7m，數(shù)值為20kN/m2的超載。關(guān)于預(yù)應(yīng)力值得確定，可通過(guò)相關(guān)剖面計(jì)算軟件計(jì)算出支護(hù)系統(tǒng)的水平設(shè)計(jì)荷載，進(jìn)而確定魚(yú)腹梁中鋼絞線(xiàn)的預(yù)應(yīng)力值，然后計(jì)算出所需鋼絞線(xiàn)數(shù)量，如表1所示。

2.2.5 計(jì)算結(jié)果

1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形 因基坑西側(cè)有超載，導(dǎo)致西側(cè)位移比東側(cè)大，所以只列出對(duì)撐以西圍檁的位移情況以供分析。由表2可看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)總的位移情況是隨基坑開(kāi)挖支護(hù)的先后順序，支護(hù)結(jié)構(gòu)位移在不斷增加，所以第3道支撐的位移最大。

2）軸力 表3為各層支護(hù)結(jié)構(gòu)中同種構(gòu)件的最大軸力，可看出第2層支護(hù)中構(gòu)件所受軸力較大，尤其是魚(yú)腹梁范圍內(nèi)的圍檁所受軸力最大。

表1 鋼絞線(xiàn)預(yù)應(yīng)力值

表2 結(jié)構(gòu)位移 mm

表3 結(jié)構(gòu)最大軸力計(jì)算結(jié)果 kN

表4 結(jié)構(gòu)最大彎矩計(jì)算結(jié)果 kN·m

3）彎矩 表4為各層支護(hù)結(jié)構(gòu)中同種構(gòu)件的最大彎矩情況，由表4可看出，第2層結(jié)構(gòu)的彎矩值大于其他層結(jié)構(gòu)彎矩值。同時(shí)可看出，對(duì)撐和角撐彎矩較小，這是因?yàn)槠渲饕脕?lái)傳遞軸力。從第2層支撐的彎矩云圖中可看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)中最大彎矩發(fā)生于對(duì)撐、角撐兩端的三角鍵上，這主要是由于對(duì)撐、角撐傳遞軸力到端部所引起，但這個(gè)部位為剛域，其構(gòu)件安全可以保證。

4）構(gòu)件驗(yàn)算 因支護(hù)系統(tǒng)中第2層支撐結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩值最大，且第2層結(jié)構(gòu)所用型鋼的截面相對(duì)較小，所以應(yīng)對(duì)最危險(xiǎn)的第2層結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。在進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，采取最不利情況，即軸力、彎矩值的大小均取同類(lèi)型構(gòu)件的最大值，構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度也取同類(lèi)型構(gòu)件的最大值。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，在最不利情況下的各類(lèi)型構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均能滿(mǎn)足要求，所以支護(hù)結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件安全。

3 結(jié)果分析

3.1 位移分析

通過(guò)模擬計(jì)算可看出裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐系統(tǒng)的魚(yú)腹梁結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)圍檁的最大位移僅為17.3mm，而且該支護(hù)系統(tǒng)的一大特點(diǎn)是：可根據(jù)需要，通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力主動(dòng)、靈活地調(diào)節(jié)基坑的位移。所以只要施加合適的預(yù)應(yīng)力，魚(yú)腹梁圍檁的位移會(huì)更小，可更加有效地控制基坑位移。

但是，魚(yú)腹梁的端部和角撐位置位移較大，如魚(yú)腹梁端部最大位移29.2mm，角撐位置圍檁的最大位移為27.2mm，這是因?yàn)殇摻g線(xiàn)的張拉使魚(yú)腹梁端部的圍檁發(fā)生向基坑內(nèi)的位移，角撐處傳來(lái)的側(cè)土壓力可抵消一部分位移，但不足以抵消由于鋼絞線(xiàn)張拉和主動(dòng)土壓力引起的魚(yú)腹梁端部圍檁朝向基坑內(nèi)的位移。同時(shí)，由于此設(shè)計(jì)中留給角撐支護(hù)的距離過(guò)小，致使無(wú)法施加足夠的角撐抵抗預(yù)應(yīng)力及土壓力的作用，而使角撐及魚(yú)腹梁端部的位移比魚(yú)腹梁范圍內(nèi)圍檁的位移大，但29.2mm對(duì)于基坑來(lái)講也是安全的。只要設(shè)計(jì)人員能夠合理地布置該結(jié)構(gòu)、合理地施加預(yù)應(yīng)力，就可更加有效地減小基坑位移。

3.2 內(nèi)力分析

對(duì)于該工程，通過(guò)Madis/GTS對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)支撐系統(tǒng)和裝配式魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，魚(yú)腹梁結(jié)構(gòu)中圍檁的最大軸力比傳統(tǒng)支護(hù)中冠、腰梁最大軸力大47%，這主要是由魚(yú)腹梁結(jié)構(gòu)的傳力特性決定。所以在進(jìn)行魚(yú)腹梁設(shè)計(jì)時(shí)，圍檁的截面應(yīng)相對(duì)較大，才能保證其安全、穩(wěn)定。

同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，2種支護(hù)系統(tǒng)中對(duì)撐的最大軸力為相差甚小，但相對(duì)于裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐系統(tǒng)，傳統(tǒng)內(nèi)支護(hù)系統(tǒng)一般會(huì)布置較多的對(duì)撐，所以相對(duì)于傳統(tǒng)的支撐系統(tǒng)，裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐系統(tǒng)中所有對(duì)撐所需承擔(dān)的總軸力較小，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)撐的總截面面積可相對(duì)較小。

3.3 施工工藝分析

裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)所用鋼材均采用工廠(chǎng)定制生產(chǎn)，施工時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝連接，無(wú)論安裝還是拆除都非常方便，整個(gè)過(guò)程只需人工施工，無(wú)需大型機(jī)械，不需較大的作業(yè)面，在工期緊張的時(shí)候，可通過(guò)增加工人加緊施工，靈活性較高。而且相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)的施工沒(méi)有養(yǎng)護(hù)期，可快速完成支護(hù)結(jié)構(gòu)施工，大大縮減工程工期。同時(shí)，因?yàn)轸~(yú)腹梁系統(tǒng)無(wú)需布置大量的對(duì)撐、角撐，可提供較大的施工空間，方便基坑內(nèi)土方的開(kāi)挖，同樣可縮短施工工期。由此可見(jiàn)，這種綠色支護(hù)技術(shù)對(duì)于基坑支護(hù)技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的意義。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

基坑工程支護(hù)造價(jià)涉及多個(gè)方面，下面僅對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平支撐的材料造價(jià)進(jìn)行討論，其中材料單價(jià)根據(jù)目前市場(chǎng)的一般價(jià)格而定。關(guān)于鋼筋混凝土中鋼筋工程量的統(tǒng)計(jì)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，縱筋的最小配筋率為0.6%，加上一些構(gòu)造鋼筋，則鋼筋工程量可按0.7%的配筋率進(jìn)行計(jì)算，此工程中結(jié)構(gòu)平均截面面積約1m2，經(jīng)過(guò)估算，每立方米鋼筋混凝土中含鋼筋量最少60kg。

在裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐系統(tǒng)中，型鋼皆為租賃，所以型鋼的單價(jià)均按租賃價(jià)格進(jìn)行計(jì)算，租賃時(shí)間按原支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)周期（1年）進(jìn)行考慮。

對(duì)比2種支護(hù)不同的水平支護(hù)結(jié)構(gòu)所用材料的造價(jià)可看出，裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)相較于混凝土內(nèi)支撐減小14.6%。而且因?yàn)檫@種先進(jìn)的施工技術(shù)可大大縮減工程工期，進(jìn)而縮短鋼材租期，極大地減少了支護(hù)結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)。所以裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，這對(duì)于該支護(hù)系統(tǒng)的廣泛使用具有非常重要的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

1）裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)可有效、靈活、主動(dòng)地約束基坑周邊的位移，保護(hù)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的安全。

2）裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)與傳統(tǒng)混凝土內(nèi)支撐系統(tǒng)相比較，安裝與拆除更為方便，不需養(yǎng)護(hù)期，縮短了施工工期。而且該系統(tǒng)使基坑具有更大的施工空間，方便土方開(kāi)挖與運(yùn)輸，使基坑開(kāi)挖工期大大縮減。

3）裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)是一種綠色環(huán)保的新技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)，其材料可多次利用，具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。