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一、水平支撐系統(tǒng)計(jì)算方法

水平支撐系統(tǒng)計(jì)算可分為在土壓力水平力作用下的水平支撐計(jì)算和豎向力作用下的水平支撐計(jì)算，現(xiàn)階段的計(jì)算手段已可實(shí)現(xiàn)將圍護(hù)體、內(nèi)支撐以及立柱作為一個(gè)整體采用空間模型進(jìn)行分析，支撐構(gòu)件的內(nèi)力和變形可以直接根據(jù)其靜力計(jì)算結(jié)果確定即可，但空間計(jì)算模型其實(shí)用程度上存在若干不足，因此現(xiàn)階段絕大部分內(nèi)支撐系統(tǒng)均采用相對簡便的平面計(jì)算模型進(jìn)行分析，當(dāng)采用平面計(jì)算模型進(jìn)行分析時(shí)，水平支撐計(jì)算應(yīng)分別進(jìn)行水平力作用和豎向力作用下的計(jì)算，以下分別進(jìn)行說明。

1．水平力作用下的水平支撐計(jì)算方法

1)支撐平面有限元計(jì)算方法

水平支撐系統(tǒng)平面內(nèi)的內(nèi)力和變形計(jì)算方法一般是將支撐結(jié)構(gòu)從整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中截離出來，此時(shí)內(nèi)支撐（包括圍檁和支撐桿件）形成一自身平衡的封閉體系，該體系在土壓力作用下的受力特性可采用桿系有限元進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)行分析時(shí)，為限制整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛體位移，必須在周邊的圍檁上添加適當(dāng)?shù)募s束，一般可考慮在結(jié)構(gòu)上施加不相交于一點(diǎn)的三個(gè)約束鏈桿，形成靜定約束結(jié)構(gòu)，此時(shí)約束鏈桿不產(chǎn)生反力，可保證分析得到的結(jié)果與不添加約束鏈桿時(shí)得到的結(jié)果一致。

內(nèi)支撐平面模型以及約束條件確定之后，將由平面豎向彈性地基梁法（如圖 16-16）或平面連續(xù)介質(zhì)有限元方法得到的彈性支座的反力作用在平面桿系結(jié)構(gòu)之上，采用空間桿系有限元的方法即可求得土壓力作用下的各支撐桿件的內(nèi)力和位移。

采用平面豎向彈性地基梁法或平面連續(xù)介質(zhì)有限元法時(shí)需先確定彈性支座的剛度，對于形狀比較規(guī)則的基坑，并采用十字正交對撐的內(nèi)支撐體系，支撐剛度可根據(jù)支撐體系的布置和支撐構(gòu)件的材質(zhì)與軸向剛度等條件按如下計(jì)算公式（16-1）確定。在求得彈性支座的反力之后，可將該水平力作用在平面桿系結(jié)構(gòu)之上，采用有限元方法計(jì)算得到各支撐桿件的內(nèi)力和變形，也可采用簡化分析方法，如支撐軸向力，按圍護(hù)墻沿圍檁長度方向的水平反力乘以支撐中心距計(jì)算，混凝土圍檁則可按多跨連續(xù)梁計(jì)算，計(jì)算跨度取相鄰支撐點(diǎn)的中心距。鋼圍檁的內(nèi)力和變形宜按簡支梁計(jì)算，計(jì)算跨度取相鄰水平支撐的中心距。

式中

KB——內(nèi)支撐的壓縮彈簧系數(shù)（kN/m2 ）；

α——與支撐松弛有關(guān)的折減系數(shù)，一般取 0.5～1.0；混凝土支撐與鋼支撐施加預(yù)壓力時(shí)，取 α ＝1.0；

E ——支撐結(jié)構(gòu)材料的彈性模量（kN/m2 ）；

A ——支撐構(gòu)件的截面積（m2）；

l ——支撐的計(jì)算長度（m）；

S ——支撐的水平間距（m）。

對于較為復(fù)雜的支撐體系，難以直接根據(jù)以上公式確定彈性支撐的剛度，且彈性支撐剛度會隨著周邊節(jié)點(diǎn)位置的變化而變化。這里介紹一種較為簡單的處理方法，即在水平支撐的圍檁上施加與圍檁相垂直的單位分布荷載 p =1kN/m，求得圍檁上各結(jié)點(diǎn)的平均位移 δ （與圍檁方相垂直的位移），則彈性支座的剛度為：

需指出的是，式（16-2）反映的是水平支撐系統(tǒng)的一個(gè)平均支撐剛度。

2)支撐三維計(jì)算方法

一般情況下，基坑外側(cè)的超載、水土壓力等側(cè)向水平力通過圍護(hù)體，將全部由坑內(nèi)的內(nèi)支撐系統(tǒng)進(jìn)行平衡，圍護(hù)體僅起到擋土、止水以及將水平力通過豎向抗彎的方式全部傳遞給內(nèi)支撐，并不參與坑外水平力的分擔(dān)。當(dāng)基坑形狀具有較強(qiáng)的空間效應(yīng)時(shí)，比如拱形、圓形情況或者基坑角部區(qū)域，圍護(hù)體還將同時(shí)承受部分坑外水平力，在該情況下如按照上述計(jì)算方法對內(nèi)支撐進(jìn)行內(nèi)力和變形進(jìn)行計(jì)算分析，將高估了內(nèi)支撐實(shí)際的內(nèi)力和變形，造成不必要的浪費(fèi)，此時(shí)應(yīng)采用能考慮空間效應(yīng)的空間計(jì)算模型，空間彈性地基板法的求解可采用通

用有限元軟件，一般可先通過有限元軟件自帶的前處理模塊或其它有限元前處理軟件建立考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)、水平支撐體系和豎向支承系統(tǒng)共同作用的三維有限元模型，模型需綜合考慮結(jié)構(gòu)的分布、開挖的順序等，然后用有限元程序分步求解。下圖 16-24 為基坑工程三維計(jì)算模型圖。

一般情況下，基坑外側(cè)的超載、水土壓力等側(cè)向水平力通過圍護(hù)體，將全部由坑內(nèi)的內(nèi)支撐系統(tǒng)進(jìn)行平衡，圍護(hù)體僅起到擋土、止水以及將水平力通過豎向抗彎的方式全部傳遞給內(nèi)支撐，并不參與坑外水平力的分擔(dān)。當(dāng)基坑形狀具有較強(qiáng)的空間效應(yīng)時(shí)，比如拱形、圓形情況或者基坑角部區(qū)域，圍護(hù)體還將同時(shí)承受部分坑外水平力，在該情況下如按照上述計(jì)算方法對內(nèi)支撐進(jìn)行內(nèi)力和變形進(jìn)行計(jì)算分析，將高估了內(nèi)支撐實(shí)際的內(nèi)力和變形，造成不必要的浪費(fèi)，此時(shí)應(yīng)采用能考慮空間效應(yīng)的空間計(jì)算模型，空間彈性地基板法的求解可采用通

用有限元軟件，一般可先通過有限元軟件自帶的前處理模塊或其它有限元前處理軟件建立考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)、水平支撐體系和豎向支承系統(tǒng)共同作用的三維有限元模型，模型需綜合考慮結(jié)構(gòu)的分布、開挖的順序等，然后用有限元程序分步求解。

3)計(jì)算實(shí)例

以下對某基坑項(xiàng)目的支撐系統(tǒng)采用平面有限元計(jì)算方法分析過程進(jìn)行說明，該項(xiàng)目基坑面積約 6500m2 ，開挖深度約 16.4m，基坑圍護(hù)體采用鉆孔灌注樁結(jié)合攪拌樁止水帷幕作為圍護(hù)體，基坑豎向設(shè)置三道鋼筋混凝土支撐，支撐采用圓環(huán)支撐平面布置形式，平面簡圖如下圖所示：

支撐信息如下表所示：

a）確定支撐系統(tǒng)剛度

建立三道鋼筋混凝土支撐系統(tǒng)的計(jì)算簡圖，如圖 16-26 所示，其后分別沿著圍檁作用垂直向的單位分布荷載 p =1kN/m，進(jìn)而求得三道支撐系統(tǒng)在單位分布荷載作用下的平均位移 δ以及 支撐系統(tǒng)剛度 K。

b）計(jì)算支撐支座反力

根據(jù)以上通過計(jì)算確定的支撐剛度，采用豎向彈性地基梁法求得第一～三道支撐系統(tǒng)的支撐反力，具體圖 16-27 所示。

c）計(jì)算支撐系統(tǒng)的變形和內(nèi)力

根據(jù)圖 16-27 可知，第一道支撐水平荷載為 314kN/m，第二道支撐水平荷載為1076.1kN/m，第三道支撐水平荷載為 536.3kN/m，將三道支撐的水平荷載分別施加在圍檁上，求得三道支撐系統(tǒng)的變形和內(nèi)力。

2．豎向力作用下的水平支撐計(jì)算方法

豎向力作用下，支撐的內(nèi)力和變形可近似按單跨或多跨梁進(jìn)行分析，其計(jì)算跨度取相鄰立柱中心距，荷載除了其自重之外還需考慮必要的支撐頂面如施工人員通道的施工活荷載。

此外，基坑開挖施工過程中，基坑由于土體的大量卸荷會引起基坑回彈隆起，立柱也將隨之發(fā)生隆起，立柱間隆沉量存在差異時(shí)，也會對支撐產(chǎn)生次應(yīng)力，因此在進(jìn)行豎向力作用下的水平支撐計(jì)算時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮立柱樁存在差異沉降的因素予以適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)。

二、支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)

支撐結(jié)構(gòu)上的主要作用力是由圍護(hù)墻傳來的水、土壓力和坑外地表荷載所產(chǎn)生的側(cè)壓力。支撐系統(tǒng)的整體分析方法在上一節(jié)中已作了專門的說明，本節(jié)關(guān)注的支撐體系的設(shè)計(jì)計(jì)算更傾向于支撐構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等方面內(nèi)容，主要有如下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

1）支撐承受的豎向荷載，一般只考慮結(jié)構(gòu)自重荷載和支撐頂面的施工活荷載，施工活荷載通常情況下取 4kPa，主要是指施工期間支撐作為施工人員的通道，以及主體地下結(jié)構(gòu)施工時(shí)可能用作混凝土輸送管道的支架，不包括支撐上堆放施工材料和運(yùn)行施工機(jī)械等情況。支撐系統(tǒng)上如需設(shè)置施工棧橋作為施工堆載平臺或施工機(jī)械的作業(yè)平臺時(shí)時(shí)應(yīng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。

2）圍檁與支撐采用鋼筋混凝土?xí)r，構(gòu)件節(jié)點(diǎn)宜采用整澆剛接。采用鋼圍檁時(shí)，安裝前應(yīng)在圍護(hù)墻上設(shè)置豎向牛腿。鋼圍檁與圍護(hù)墻間的安裝間隙應(yīng)采用 C30 細(xì)石混凝土填實(shí)。采用鋼筋混凝土圍檁，且與圍護(hù)墻和支撐構(gòu)件整體澆筑連接時(shí)，對計(jì)算支座彎距可乘以調(diào)幅折減系數(shù) 0.8～0.9，但跨中彎距相應(yīng)增加。鋼支撐構(gòu)件與圍檁斜交時(shí)，宜在圍檁上設(shè)置水平向牛腿。

3）支撐結(jié)構(gòu)上的主要作用力是由圍護(hù)墻傳來的水、土壓力和坑外地表荷載所產(chǎn)生的側(cè)壓力。對于溫度變化和加在鋼支撐上的預(yù)壓力對支撐結(jié)構(gòu)的影響，由于目前對這類超靜定結(jié)構(gòu)所做的試驗(yàn)研究較少，難以提出確切的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。溫度變化的影響程度與支撐構(gòu)件的長度有較大關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測資料，對長度超過 40m 的支撐宜考慮 10%左右支撐內(nèi)力的變化影響。

4）支撐與圍檁體系中的主撐構(gòu)件長細(xì)比不宜大于 75；聯(lián)系構(gòu)件的長細(xì)比不宜大于 120。

水平 基坑 荷載

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