抬梁在某基坑工程大跨度內支撐體系中的應用

呂善國

（南京南大巖土工程技術有限公司，江蘇 南京211800）

1 工程概況

本基坑工程位于南京市鼓樓區，地庫為二層滿堂地下室。基坑開挖面積約11424m2，支護周長約478m，挖深9.2～11.6m。基坑南側為地下管網密布的市政道路，基坑東側緊臨多棟已建3～7層老舊建筑物，北側和西側為待開發空地。未來地鐵五號線雙線盾構隧道將從本基坑正下方斜穿而過，基坑總平面圖見圖1。雙線盾構隧道及保護區在本基坑內所占面積較大，而待建地鐵隧道范圍內又無法設立柱樁，導致跨越盾構隧道區域的內支撐主梁跨度達到18～23 米。為克服上述困難，設計方案充分結合隧道走向通過設置抬梁（抬梁跨度18～20 米）來解決大跨度主支撐的豎向受力問題。本項目基坑支護結構為灌注樁（局部SMW 工法樁）加二層鋼筋砼支撐支護形式，四周設置封閉式三軸深攪樁止水。

圖1 總平面圖

2 工程地質與水文地質條件

工程場地地形總體較平坦，局部地勢因堆土高低稍有起伏,屬長江漫灘地貌單元。場地自上而下范圍內巖土層主要由填土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、卵礫石混中粗砂、強風化糜棱巖、中風化糜棱巖等組成，各土層物理力學性能指標如表1 所示。根據巖土工程勘察報告，地下水主要為孔隙潛水，賦存于填土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土中，潛水與鄰近長江水呈互補關系。局部承壓水賦存于下部卵礫石混中粗砂層中。由于上覆相對隔水層較厚，承壓含水層對本基坑工程影響較低。

表1 土層物理力學參數表

3 抬梁的設計

3.1 抬梁計算模型

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

圖2 大跨度內支撐梁及抬梁現場布置圖

圖3 抬梁受力計算模型

3.2 抬梁受力計算

本項目內支撐體系中的抬梁為純受彎構件，設計計算時先按正截面受彎承載力計算，再進行撓度驗算，根據計算結果確定梁的截面尺寸和配筋。

抬梁跨度為18～20 米，設計計算取抬梁跨度20 米進行計算，經計算確定抬梁高寬尺寸為1500×1100mm，砼等級為C35，受拉區鋼筋為20 根Φ32 鋼筋（HRB400），受壓區為10 根Φ32鋼筋（HRB400），箍筋為Φ12@200 為6～8 肢箍，箍筋鋼筋等級為HPB300。為減輕抬梁自重在梁內設置4 根Φ250PVC 管及2根Φ250 鋼管。抬梁設計截面如圖4。

圖4 抬梁截面示意圖

抬梁彎矩計算：

（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

根據混凝土結構設計規范[1]相關公式，計算得到抬梁短期剛度如下：

BS=4.950127E+015N.mm2

根據力學公式分別計算F 和q1作用下抬梁撓度：

3.3 抬梁有限元模擬計算

3.3.1 模型的建立

采用ANSYS 有限元軟件對抬梁作非線性分析，即分析抬梁的受力、變形及開裂情況[2]。抬梁數值模擬計算的長度、截面尺寸、配筋及施加的荷載等取按力學公式計算的結果。混凝土及鋼筋的材料計算參數見表2。考慮模型的對稱性，建立1/2 模型長度，在對稱面上施加對稱約束[3]。本次模擬采用分離式模型，即混凝土采用SOLID65 實體單元來模擬，鋼筋采用空間管單元PIPE20 來模擬。鋼筋采用雙線性隨動強化模型[3]，混凝土采用多線性隨動強化模型（KINH）,應力- 應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 五參數破壞準則和最大拉應力準則組合模式來模擬混凝土的開裂和壓碎。混凝土裂縫張開傳遞系數取0.4，裂縫閉合傳遞系數取1.0，關閉壓碎開關[3]。為簡化計算便于計算收斂，不考慮鋼筋和混凝土之間的粘結和滑移。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。具體模型網格劃分如圖5、圖6 和圖7 所示。

圖5 抬梁網格模型剖面圖

圖6 抬梁全模型網格圖

圖7 鋼筋及鋼管有限元模型

表2 材料參數

3.3.2 數值模擬結果與分析

圖8 抬梁全模型豎向位移圖

圖9 混凝土單元第一主應力圖

圖10 抬梁半模型混凝土裂縫分布圖

圖11 鋼筋主應力分布圖

從圖8 可以看出，抬梁受力后最終豎向變為34.85mm，模擬結果與力學公式計算結果接近。從圖9 可以看出，抬梁中部局部單元第一主應力達到2.3MPa,超過設計值，砼出現開裂。圖10為砼裂縫開裂位置分布圖。從圖11 可以看出，受拉鋼筋主應力最大值為169.71MPa,小于鋼筋抗拉強度值。

4 抬梁豎向變形現場實測

實際施工過程中在抬梁和大跨度梁中部位置布置了位移監測點，圖12 為測點布置平面圖。從圖13 監測結果可以看出，抬梁豎向最大沉降量為6.59mm，遠小于力學公式與數值模擬計算結果，主要原因是設計和施工均采取了進一步減小抬梁撓度相關措施：

a.在實際施工中抬梁和大跨度梁均采取了起拱措施。

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

5 結論

本文主要討論了抬梁在大跨度內支撐體系中的應用，運用抬梁力學模型計算、數值模擬以及現場實測相結合的方法為抬梁的設計與施工提供了一種實際可行的途徑。并得出如下結論：

5.1 工程實踐證明，抬梁的力學模型計算結果是合理可行的。

圖12 抬梁及大跨度梁位移測點R1～R7 布置平面圖

圖13 R1～R7 測點豎向沉降～時間變化圖

5.2 采用ANSYS 有限元軟件對抬梁作非線性分析不僅進一步印證了力學模型計算的可行性，同時為抬梁的設計提供了另一種可行的手段。

5.3 對抬梁的現場實測結果表明，設計和施工中所采取的進一步減小抬梁撓度的措施是有效的。