某臨渠基坑支撐體系的設(shè)計(jì)計(jì)算分析

莊文澤

福建泉州勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，福建 泉州 362012

經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的快速發(fā)展使得各種建筑工程在我國(guó)各地大量涌現(xiàn)，使得基坑工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)水平不斷提升。在相關(guān)研究中，支撐結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)計(jì)算屬于受關(guān)注的焦點(diǎn)，為盡可能直觀地展示該設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)，文章圍繞某臨渠基坑工程進(jìn)行具體研究。

1 工程概況

為了提升研究的實(shí)踐價(jià)值，選取某臨渠基坑地作為研究對(duì)象。該工程的用地面積、總建筑面積分別為3038m2、9342m2，包括6層辦公中心1棟，單層變配電室1棟，2層單獨(dú)地下室、發(fā)電機(jī)房，為框架結(jié)構(gòu)。計(jì)劃采用樁基礎(chǔ)，場(chǎng)地整平標(biāo)高、基礎(chǔ)（承臺(tái)）預(yù)計(jì)埋深、承臺(tái)墊層底標(biāo)高分別為6m、1～1.5m、-3.9m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)，工程場(chǎng)地屬于沖海積平原地貌。場(chǎng)地地層自下而上分別為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、卵石、粉質(zhì)黏土、雜填土。在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員嚴(yán)格遵循了安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工原則，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)合周邊環(huán)境超載、施工荷載最不利荷載效應(yīng)組合進(jìn)行，以此完成支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性、強(qiáng)度、變形驗(yàn)算，支護(hù)結(jié)構(gòu)的配筋及尺寸計(jì)算同時(shí)兼顧了強(qiáng)度和變形控制要求，位移測(cè)量誤差、結(jié)構(gòu)變形、施工誤差帶來(lái)的影響也得到了考慮，為同時(shí)提高施工工效，設(shè)計(jì)盡可能選用較少的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。

2 支撐結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 第一層混凝土冠梁計(jì)算

第一層混凝土冠梁設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示，設(shè)計(jì)采用構(gòu)造配置，截面為1300mm×900mm，主筋為7Φ22mm。

圖1 第一層混凝土冠梁示意圖（單位：mm）

2.2 圍檁計(jì)算

針對(duì)圍檁設(shè)計(jì)，采用的鋼筋為HRB400，混凝土標(biāo)號(hào)為C35，截面為800mm×900mm，計(jì)算單元力，每延米為365kN，計(jì)算間距為8.3m。通過(guò)開展最大內(nèi)力設(shè)計(jì)值計(jì)算可以確定，支座、跨中、剪力對(duì)應(yīng)的值分別如下。支座：M1=1.1×1.25×430×7.5×7.5÷12=2771.48kN·m；跨中：M2=1.1×1.25×430×7.5×7.5÷16=2078.61kN·m；剪力：V=1.1×1.25×430×7.5÷2=2217.19kN。選用的截面為 900mm×1400mm，混凝土標(biāo)號(hào)為C35，鋼筋為HRB360。

基于支座主筋進(jìn)行計(jì)算，可確定截面抵抗矩系數(shù)αs、混凝土構(gòu)件的截面抵抗矩塑性影響系數(shù)γs分別為0.10、0.95，縱向鋼筋配筋面積As為5761.06mm2，選用12Φ25鋼筋；基于跨中主筋進(jìn)行計(jì)算，可確定αs、γs分別為0.08、0.96，As為5005.71mm2，選用12Φ25鋼筋；基于箍筋進(jìn)行計(jì)算，可確定設(shè)計(jì)滿足要求，實(shí)際配置箍筋5肢箍φ10@150[1]。

2.3 對(duì)撐計(jì)算

混凝土對(duì)撐設(shè)計(jì)截面為1000mm×900mm，鋼筋為HRB400，取14m為立柱間距。開展最大內(nèi)力設(shè)計(jì)值計(jì)算，可初步得出其值為8997.62kN；基于溫度變化進(jìn)行考量，其值取9897.38kN。進(jìn)一步計(jì)算自重產(chǎn)生的彎矩、施工荷載產(chǎn)生的彎矩、施工安裝偏心產(chǎn)生的彎矩，分別為654.89kN·m、145.53kN·m、277.13kN·m，三者相加可求得總的支撐彎矩為1077.54kN·m。基于軸向壓力二階效應(yīng)進(jìn)行考量，彎矩設(shè)計(jì)值采用2015.15kN·m；進(jìn)一步開展配筋計(jì)算，偏心距e0、軸向力初始偏心距ei、軸力作用點(diǎn)至受拉縱筋合力點(diǎn)的距離e、偏心距系數(shù)ζ分別為203.6mm、233.6mm、638.6mm、0.65，由此可確定As為3309.3mm2，選用6Φ25鋼筋[2]。

2.4 棧橋計(jì)算

取1.2作為棧橋梁、板自重分項(xiàng)系數(shù)，取1.4為運(yùn)輸車輛、挖機(jī)等荷載的分項(xiàng)系數(shù)，擬定棧橋板截面分別為1m×0.9m、300mm，存在5.15m×4.3m的棧橋最大間距。基于履帶式抓鏟挖機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，型號(hào)選擇QUY-50，挖土機(jī)自重、抓斗重、接地長(zhǎng)度、土方自重分別為56t、2.2t、4.66m、4t，因此挖土機(jī)荷載為622kN。進(jìn)一步分析土方運(yùn)輸車輛荷載，基于斯塔爾自卸車進(jìn)行設(shè)計(jì)，可確定其滿載時(shí)前輪、后輪分別為10t、30t，存在4.5m的前后輪距，因此前輪荷載、后輪荷載分別為100kN、300kN。結(jié)合四種荷載布置工況開展分析，包括滿載的運(yùn)土車處于跨中、全部集中荷載由單側(cè)履帶承受、三角形分布荷載由單側(cè)履帶承受、全部荷載由單側(cè)履帶承受。基于具體計(jì)算，需保證局部堆土、運(yùn)土卡車、挖土機(jī)均不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，即30kN/m2，因此按照最不利布置開展的施工棧橋荷載梁、板、柱設(shè)計(jì)計(jì)算以35kN/m2為活荷載標(biāo)準(zhǔn)值，棧橋梁計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 棧橋梁計(jì)算簡(jiǎn)圖（單位：mm）

具體計(jì)算中活載準(zhǔn)永久值系數(shù)、梁容重、恒載分項(xiàng)系數(shù)、活載調(diào)整系數(shù)、活載分項(xiàng)系數(shù)分別取0.5、25kN/m3、1、1.4、1.2，混凝土等級(jí)、縱筋級(jí)別、箍筋級(jí)別分別為C30、HRB400、HPB300，配筋調(diào)整系數(shù)、面積歸并率、上/下部縱筋保護(hù)層厚、最大裂縫限值、撓度控制系數(shù)分別為1、30%、35mm、0.4mm、200，抗震等級(jí)為不設(shè)防，采用單筋作為截面配筋方式。通過(guò)計(jì)算可以求得，跨長(zhǎng)5150mm的棧橋梁最大裂縫、最大撓度分別為0.07mm、0.711mm，分別小于標(biāo)準(zhǔn)值0.4mm、25.75mm，可確定本跨計(jì)算通過(guò)。

2.5 立柱計(jì)算

立柱的自重、活載標(biāo)準(zhǔn)值分別為553.75kN、553.75kN，支撐軸力附加荷載標(biāo)準(zhǔn)值、立柱荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別為302.95kN、856.70kN。開展樁長(zhǎng)計(jì)算，其中ZK3立柱坑底的淤泥夾砂、卵石厚度分別為12.5m、9m，之下為微風(fēng)化花崗巖，采用灌注樁（Φ1000）作為立柱樁下部，基坑開挖面下樁采用C30混凝土，長(zhǎng)18.5m，同時(shí)采用HRB400材質(zhì)的16Φ20構(gòu)造配筋，通過(guò)計(jì)算可確定未考慮樁徑影響下的樁基承載力為856.7kN。進(jìn)一步開展四肢格構(gòu)柱計(jì)算，軸力設(shè)計(jì)值、彎矩設(shè)計(jì)值分別為1300kN、60kN·m，計(jì)算長(zhǎng)度、截面寬×高分別為7.5m、500mm×500mm，單肢選用L140×14角鋼，重心距、慣性矩、截面積分別為3.98cm、688.8cm4、37.57cm2，組合構(gòu)件截面積、回轉(zhuǎn)半徑、慣性矩、截面模量分別為 150.28cm2、21.45cm、69154.975312cm4、3289.96cm3。開展穩(wěn)定性驗(yàn)算，可確定平面內(nèi)長(zhǎng)細(xì)比、換算長(zhǎng)細(xì)比、分肢長(zhǎng)細(xì)比分別為34.96、37.67、14.01，滿足要求。

2.6 棧橋立柱計(jì)算

開展立柱樁下部鉆孔灌注樁承載力驗(yàn)算，可得到結(jié)果為1009.9kN，計(jì)算按照1100kN進(jìn)行。選擇鉆孔ZK11，坑底以下淤泥夾砂、卵石厚度分別為16.1m、7.2m，下部為微風(fēng)化花崗巖，采用灌注樁（Φ1000）作為立柱樁下部，基坑開挖面下樁采用C30混凝土，長(zhǎng)23m，同時(shí)采用HRB400材質(zhì)的16Φ22構(gòu)造配筋，通過(guò)計(jì)算可確定未考慮樁徑影響下的樁基承載力為1397.3kN，大于標(biāo)準(zhǔn)值[3]。進(jìn)一步開展四肢格構(gòu)柱計(jì)算，軸力設(shè)計(jì)值、彎矩設(shè)計(jì)值分別為1650kN、60kN·m，計(jì)算長(zhǎng)度、截面寬×高分別為7.5m、500mm×500mm，單肢選用L160×14角鋼，重心矩、慣性矩、截面積分別為4.47cm、77192.49188cm4、43.3cm2，組合構(gòu)件截面積、回轉(zhuǎn)半徑、慣性距、截面模量分別為173.20cm2、21.11cm、77192.49188cm4、3759.98cm3。開展穩(wěn)定性驗(yàn)算，可確定平面內(nèi)長(zhǎng)細(xì)比、換算長(zhǎng)細(xì)比、分肢長(zhǎng)細(xì)比分別為35.53、37.56、12.20，滿足要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

該臨渠基坑地支撐結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)計(jì)算具備較高的借鑒價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，文章涉及的第一層混凝土冠梁計(jì)算、圍檁計(jì)算、對(duì)撐計(jì)算、棧橋計(jì)算、立柱計(jì)算、棧橋立柱計(jì)算等內(nèi)容，則直觀展示了案例工程的支撐結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)。為更好地開展相關(guān)計(jì)算，受力變形規(guī)律研究、逐級(jí)加載對(duì)基坑變形的影響、新型支撐結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用同樣需要得到重視。