基坑支護樁鋼筋籠的變形控制研究

房江鋒，房江勇

（1.深圳宏業基巖土科技股份有限公司，廣東 深圳 518029；2.中國新興建筑工程有限責任公司，北京 100079）

0 引言

隨著旋挖設備施工能力的大力發展，在地質條件復雜地區的深基坑支護工程中，大直徑旋挖鉆孔灌注樁作為支護樁的應用越來越廣泛，由于支護樁樁身受到很大的彎矩，使其鋼筋籠有直徑大、配筋多、自重大、施工要求高、吊放施工難度大［1-7］等特點。工程中通常采取設置加勁箍來控制鋼筋籠的徑向變形及籠體剛度，設計及施工規范中建議的加勁箍直徑范圍為 12～25 mm。但是在設計中，鋼筋籠的直徑、縱筋數量及直徑等參數變化較大，對于不同參數的鋼筋籠，選取加勁箍時，規范及現有研究文獻暫無建議值。本文依托工程案例，采用結構力學求解器，對各因素對鋼筋籠徑向變形的影響進行了計算分析。通過計算和結果分析，對調整加勁箍直徑和加勁箍間距兩種控制鋼筋籠徑向變形的方法進行了比較。同時，經過計算分析，給出了直徑為 1.2 m 的支護樁型的鋼筋籠加勁箍的適用范圍。

1 關于灌注樁鋼筋籠設計的規范要求

1.1 規范要求及設計現狀

JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》第 4 章：樁基構造中要求：“當鋼筋籠長度超過 4 m 時，應每隔 2 m 設一道直徑不小于 12 mm 的焊接加勁箍筋”。

JGJ/T 225-2010《大直徑擴底灌注樁技術規程》第 5 章“基本構造”中要求：“當鋼筋籠長度超過 4 m 時，每隔 2 m 宜設一道直徑為 18～25 mm 的加勁箍筋”。

JGJ 120-2012《建筑基坑支護技術規程》4.3 節“排樁設計”中要求：“沿樁身配置的加強箍筋應滿足鋼筋籠起吊安裝要求，宜選用 HPB300、HRB400 鋼筋，其間距宜取 1 000～2 000 mm”，未給出加勁箍建議直徑。

11S G 814《建筑基坑支護結構構造》圖集中4.4.13 條要求：“鋼筋籠應設置加強箍筋，加強箍筋應焊接封閉，直徑不宜小于 12 mm，間距不宜大于 2 m”。

綜上可知，對于灌注樁鋼筋籠加勁箍的選型，規范中推薦范圍為 12～25 mm，實際工程設計中，為考慮工程造價，往往忽視了鋼筋籠加工和吊運過程中變形控制的要求，給出的加勁箍直徑一般偏小。

1.2 鋼筋籠變形控制要求

根據 GB 50204-2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》和設計要求，鋼筋籠徑向變形容許誤差通常為-10～10 mm。鋼筋籠在現場制作完成放于地面后，沿徑向會產生超限變形，鋼筋籠截面呈橢圓形，如圖 1 所示。而過大的超限變形會造成鋼筋籠起吊和安裝施工困難。

圖1 鋼筋籠變形

2 結構力學求解器及建模

2.1 結構力學求解器簡介

結構力學求解器（SM Solve r—Structural Mechanics Solver，以下簡稱為“求解器”）是清華大學袁駟教授主持研發的結構力學分析計算軟件，能夠求解經典結構力學課程中所涉及的桿系結構的幾何組成、靜定、超靜定、位移、內力、影響線、包絡圖、自由振動、彈性穩定、極限荷載等問題［8-10］。

該軟件算法先進、結果精確、界面友好、操作方便，便于施工企業技術人員快速掌握，應用于設計復核、計算之用。

2.2 計算模型

鋼筋籠放置于地面時，縱筋在自重作用下將荷載傳遞到相鄰 2 個加勁箍上。因此，每個加勁箍承受長 2 m（加勁箍間距 2 m）的縱筋重量。為簡化計算，建模時對 3 個加勁箍的鋼筋籠進行建模，則中間一個加勁箍需要承受重量的縱筋長度也為 2 m，與實際相符。

計算模型如圖 2 所示，利用軟件進行計算，下面利用結構力學求解器進行編程并求解，在軟件中輸入的 INP 文件如下。

圖2 鋼筋籠計算斷面模型

變量定義，pi=atan（1）*4，dt=2*pi/N

結點，1，-2R，0

結點，2，-2R*cos（dt），2R*sin（dt）

……

結點，N，2R*cos（dt），-2R*sin（dt）

單元，1，2，1，1，1，1，1，1

單元，2，3，1，1，1，1，1，1

……

單元，N，1，1，1，1，1，1，1

結點支承，N1，3，0，0，0

結點支承，N2，3，0，0，0

結點荷載，1，1，P，-90

結點荷載，2，1，P，-90

……

結點荷載，N，1，P，-90

單元材料性質，1，N，EA，EI，0，0，-1

其中，N為鋼筋籠主筋數量，R為鋼筋籠半徑，P為等效節點荷載，E為材料的彈性模量，A為鋼筋截面面積，I為截面的慣性矩。

3 工程案例

3.1 工程概況

本工程場地為填海造陸形成，基坑開挖范圍內主要分布的地層為人工填土層（Qml）、第四系全新統海陸交互相沉積淤泥質黏土層（）、第四系上更新統沖洪積黏土和礫砂層（）、第四系殘積砂質黏性土層（Qel）?；娱_挖深度約 18 m，設置兩道內支撐結構，樁徑 1.2 m，采用旋挖鉆孔灌注工藝施工，支護樁配筋情況如表 1 所示，鋼筋籠材料參數如表 2 所示。

表1 支護樁規格及配筋

3.2 加勁箍直徑對鋼筋籠徑向變形的影響規律分析

選取配筋量最大的 4-4 剖面鋼筋籠進行計算分析，從鋼筋籠在自重作用下的變形（見圖 3）可以看出：當縱向主筋為 42C32、加勁箍為 C18@2 000，鋼筋籠僅在其自重作用下最大的徑向變形發生在加勁箍的頂端，變形最大值為 64.6 mm，該結果未考慮焊接施工的影響。

圖3 直徑 1.2 m 鋼筋籠（加勁箍 C18）變形示意圖

計算結果表明，在原設計配筋的情況下，鋼筋籠在其自重作用下會產生超限變形。 通過調整加勁箍直徑和間距，計算鋼筋籠徑向變形，結果如表 3 和圖4 所示。

圖4 4-4 剖面鋼筋籠變形與加勁箍直徑關系圖

表3 不同加勁箍直徑和間距時鋼筋籠的徑向變形

由計算結果可知，當采用 C25@1 200 或 C28@1 800 加勁箍時，鋼筋籠徑向變形可滿足規范要求。施工期間按照計算結果，對該剖面鋼筋籠的加勁箍直徑和間距進行調整，綜合考慮施工難度和效率，施工時選取加勁箍參數為C28@1 800，鋼筋籠的徑向變形得到了有效控制。

3.3 加勁箍間距對鋼筋籠徑向變形的控制分析

除了加勁箍直徑以外，加勁箍間距也會對鋼筋籠徑向變形產生影響，通過調整加勁箍間距進行計算，計算結果如表 3 所示。

分析圖 5 所示結果可知，隨著加勁箍直徑的增大，加勁箍間距對鋼筋籠徑向變形的影響逐漸較小。結合現場焊接施工難度及工作效率，與減小加勁箍間距相比，增大加勁箍直徑對變形的控制更為高效、經濟。

圖5 不同加勁箍間距對鋼筋籠徑向變形的控制效果圖

3.4 直徑為 1.2 m 的灌注樁鋼筋籠加勁箍選配建議

現階段采用樁錨和咬合樁支護的深基坑越來越多，深基坑的支護樁承受較大的彎矩，設計配筋率偏高。但是一般設計中少有考慮鋼筋籠加工過程、成品堆放、吊運過程中的變形控制指標，因此，按照規范建議的加勁箍選型范圍要求，選配的加勁箍偏小。對于 1.2 m 直徑的鋼筋籠，通過調整縱筋數量、縱筋直徑和加勁箍直徑等參數，計算分析了不同參數下鋼筋籠的徑向變形。計算時，考慮到現場施工難度及工效，加勁箍間距按照常用的 2.0 m 選用。對計算結果進行分析總結，對于 1.2 m 直徑的鋼筋籠，加勁箍選配的結果如表 4 所示。

表4 直徑 1.2 m 鋼筋籠的加勁箍選配表

4 結語

1）采用結構力學求解器對大直徑鋼筋籠變形計算，得出原設計配置的加勁箍偏小，不能滿足規范徑向變形的要求。通過計算，除 4-4 剖面選配 C28@1 800，其他剖面選配 C25@2 000 型加勁箍，可有效控制鋼筋籠徑向變形。

2）計算結果表明，減小加勁箍間距的方式對鋼筋籠徑向變形的控制效果不如增大加勁箍直徑明顯；同時會增加加勁箍數量，增加現場焊接的工作量，加大施工的難度，降低工效。

3）通過計算分析，給出了直徑 1.2 m 鋼筋籠的在不同設計參數情況下加勁箍的選配范圍，可為同類工程設計及施工提供參考。Q