架高鋼支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

沈文杰 陳 輝

1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092；2. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200433

目前，橋梁主橋墩承臺(tái)的基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)中常常會(huì)存在這樣的問題：現(xiàn)場(chǎng)的自然地坪標(biāo)高低于橋墩承臺(tái)的面標(biāo)高。在常規(guī)的基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)中，承臺(tái)必須要進(jìn)行二次澆筑。為使橋墩承臺(tái)一次性澆筑，從而縮短工期，降低成本，我們經(jīng)過一系列的探索與研究，設(shè)計(jì)出了一種支撐架空傳力抗傾覆系統(tǒng)——支撐牛腿，將支撐系統(tǒng)抬高。該系統(tǒng)在上海辰塔公路跨黃浦江大橋新建項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，解決了抬高的支撐系統(tǒng)與壓頂圈梁連接的問題，保證了橋墩承臺(tái)基坑的安全。

1 工程概況

辰塔大橋是上海市松江區(qū)辰塔公路南延伸跨黃浦江大橋，主橋?yàn)殡p塔雙索面混凝土梁斜拉橋。全長(zhǎng)1 648 m，主跨296 m，全橋共84 對(duì)斜拉索，縱向立面采用扇形布置。斜拉索混凝土主塔總高93.7 m。主墩承臺(tái)尺寸58.2 m×9 m，混凝土5 919.2 m3。

1.1 基坑概況

南塔承臺(tái)基坑面積1 253 m2，基坑周長(zhǎng)153 m，基坑開挖深度為5.48 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ650 mm@450 mm三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插400 mm×400 mm H型鋼，基坑安全等級(jí)為三級(jí)。

1.2 支撐布置[1,2]

南塔承臺(tái)基坑只設(shè)置1 道水平鋼支撐，采用Φ609 mm×16 mm鋼管支撐。基坑施工范圍內(nèi)自然地坪標(biāo)高為3.48 m，南塔承臺(tái)結(jié)構(gòu)頂面標(biāo)高為3.70 m，自然地坪標(biāo)高低于橋墩承臺(tái)的面標(biāo)高0.22 m。故考慮將支撐系統(tǒng)抬高，抬高后支撐中心標(biāo)高為4.30 m（圖1）。這樣承臺(tái)就可以一次性澆筑完成，最后再進(jìn)行拆除。

圖1 主墩承臺(tái)基坑剖面

2 支撐穩(wěn)定性驗(yàn)算[3-5]

計(jì)算采用同濟(jì)啟明星基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)專用軟件，計(jì)算工況：圍護(hù)結(jié)構(gòu)為單排SMW工法樁，Φ650 mm，基坑開挖寬度5.48 m，對(duì)撐間距8.43 m，地面超載20 kPa。

2.1 最大應(yīng)力計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，鋼支撐最大軸力N=2 025.3 kN，鋼管截面面積故鋼支撐最大應(yīng)力為66.2 MPa。

2.2 長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算

2.3 穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2013）第5.2.2條規(guī)定：彎矩作用在對(duì)稱軸平面內(nèi)（繞x軸）的實(shí)腹式壓彎構(gòu)件，其穩(wěn)定性應(yīng)按下列規(guī)定計(jì)算：

彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性：

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2013）第5.1.2條規(guī)定：表5.1.2-1確定軸心受壓構(gòu)件的截面分類為b類，由附錄C可以確定：φx=0.536；根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2013）第5.2.1條規(guī)定：γx=1.15；（3.8為最大軸力桿件的偏心位移）；Mx=Ne（e為安裝偏差）：根據(jù)上海市《基坑工程技術(shù)規(guī)范》（DG/TJ 08—61—2010）第10.2.9條規(guī)定：構(gòu)件界面的初始偏心距可取支撐計(jì)算長(zhǎng)度的2/1 000～3/1 000，這里考慮3/1 000，故e=22 250×0.003=66.75 mm。

3 支撐架空傳力抗傾覆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 支撐架空傳力抗傾覆系統(tǒng)的構(gòu)成

支撐架空傳力抗傾覆系統(tǒng)（圖2）是由壓頂板、扶壁板、肋板、反壓樁組成，其他部分如圖所示。

圖2 支撐牛腿連接示意

3.2 支撐架空傳力抗傾覆系統(tǒng)的施工步驟

3.2.1 處理壓頂板下的地基

施工壓頂圈梁與牛腿前，在壓頂板下施工反壓樁。因?yàn)橹蜗到y(tǒng)所承受的軸力將會(huì)作用在支撐牛腿上，而架高的支撐系統(tǒng)將會(huì)對(duì)壓頂圈梁產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)作用。反壓樁能夠提供較大的地基承載力，可以減小壓頂圈梁所承受的扭力，防止壓頂圈梁的扭剪破壞。

3.2.2 連接壓頂圈梁與支撐牛腿

施工壓頂圈梁與牛腿的鋼筋工程，將扶壁板的主筋與壓頂圈梁的縱筋進(jìn)行焊接連接，肋板的鋼筋也將與壓頂圈梁及壓頂板的鋼筋進(jìn)行焊接連接。這樣支撐牛腿與壓頂圈梁連接成為一個(gè)整體，從而能更好地承受架高的支撐系統(tǒng)的軸力。

3.2.3 連接鋼支撐系統(tǒng)與支撐牛腿

將錨板用預(yù)埋的鋼筋與支撐牛腿連接成一個(gè)整體，然后鋼支撐系統(tǒng)通過焊接與錨板連接，使鋼支撐系統(tǒng)與壓頂圈梁通過支撐牛腿連接成為一個(gè)整體。

3.3 支撐架空傳力抗傾覆系統(tǒng)的傳力系統(tǒng)

支撐系統(tǒng)的軸力直接作用在扶壁板上（圖3），由整個(gè)支撐牛腿與壓頂圈梁承受，壓頂板下的反力樁將會(huì)提供支撐力來抵抗支撐軸力對(duì)壓頂圈梁的扭轉(zhuǎn)。

圖3 支撐架空傳力抗傾覆系統(tǒng)的傳力示意

4 實(shí)施效果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)報(bào)告，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部位移最大為9.18 mm，基坑水平變形最大為12.8 mm，支撐最大軸力為1 612 kN，均滿足規(guī)范要求[6]。在后期橋墩承臺(tái)的混凝土澆筑過程中，采用大體積一次性澆筑，現(xiàn)場(chǎng)混凝土連續(xù)澆筑長(zhǎng)達(dá)40 h，混凝土方量為5 920 m3。支撐架空傳力抗傾覆系統(tǒng)的應(yīng)用大大節(jié)省了施工工期，同時(shí)保證了混凝土質(zhì)量，避免二次澆筑帶來的施工縫處理、清理浮漿等施工工序。