新型裝配式基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

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摘要：基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種十分常見(jiàn)的支擋設(shè)施，在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合具體情況選擇合適的支護(hù)體系。然而十字形裝配式基坑支護(hù)體系是一種全新的支護(hù)設(shè)施，具有強(qiáng)度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)十字形裝配式基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)展開(kāi)分析和探索。

關(guān)鍵詞：新型裝配式；十字形；基坑支護(hù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)快速的發(fā)展，很多工程都需要提高自身的設(shè)計(jì)技術(shù)，十字形裝配式基坑支護(hù)作為一種新型的基坑支護(hù)體系，在實(shí)際運(yùn)用中有著很好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)這一技術(shù)能夠有效的提高施工安全、保證施工質(zhì)量，此外十字形裝配式基坑支護(hù)體系還具有低成本、便于施工等優(yōu)勢(shì)，因此已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。

1十字形裝配式基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

十字形裝配式基坑支護(hù)是當(dāng)前較為新穎的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，是方形結(jié)構(gòu)支護(hù)體系中變化得來(lái)，十字形裝配式基坑支護(hù)在設(shè)計(jì)上，將橫梁與縱向的肋梁以十字形交叉，然后在橫梁與肋梁之間設(shè)置錨索以及錨桿最終形成更為穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)。在十字形裝配式基坑支護(hù)中主要由復(fù)數(shù)個(gè)預(yù)制單元格結(jié)構(gòu)組成，而所有的單元格結(jié)構(gòu)中都是由橫梁、縱向肋梁、錨索孔以及配套的連接部件構(gòu)成。具體單元格的結(jié)構(gòu)如圖1。十字形裝配式基坑支護(hù)在材料方面主要選擇鋼結(jié)材料或者混凝土材料等，由于施工速度快，材料重量輕、便于大批量預(yù)制生產(chǎn)，因此更具優(yōu)勢(shì)。因此本文將以鋼結(jié)構(gòu)材料作為十字形裝配式基坑支護(hù)的主要應(yīng)用材料。在實(shí)際的工程中會(huì)使用數(shù)個(gè)方管以及鋼結(jié)構(gòu)板進(jìn)行焊接組成支護(hù)體系的橫梁和縱向肋梁，而單元格結(jié)構(gòu)可以在工廠進(jìn)行預(yù)制，在經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)之后再直接運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。因此，十字形裝配式基坑支護(hù)在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的穩(wěn)定性、便于施工，此外還可以適應(yīng)很多不同土質(zhì)環(huán)境。

2十字形裝配式基坑支護(hù)單元設(shè)計(jì)

2.1支護(hù)體系的截面設(shè)計(jì)。參考實(shí)際施工的需求，滿足單元格結(jié)構(gòu)之間的土質(zhì)環(huán)境中出現(xiàn)土拱現(xiàn)象，通常會(huì)進(jìn)行以下設(shè)計(jì)：?jiǎn)卧孛娴母叨仍O(shè)置為200mm、截面的寬度設(shè)置為800mm，在設(shè)計(jì)中參考實(shí)際施工的經(jīng)驗(yàn)以及大部分市場(chǎng)材料的規(guī)格，單元格結(jié)構(gòu)截面內(nèi)部的主體框架使用200mm×100mm×10mm型的方管共計(jì)4根以及6mm厚鋼結(jié)構(gòu)板組合而成。2.2錨索、橫梁、縱向肋梁的間距設(shè)計(jì)。錨索結(jié)構(gòu)在各個(gè)國(guó)家都有著不同的型號(hào)規(guī)定，例如，美國(guó)的錨索規(guī)定其最間距為錨索內(nèi)部直徑的6倍。而日本的錨索其間距設(shè)計(jì)為1.5m一個(gè)。在我國(guó)錨索的思間距設(shè)計(jì)為縱向間距需要大于2.0m，橫向間距設(shè)計(jì)為1.5m以上。同時(shí)為了防止錨索由于錨固力太大導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，錨索的間距也不能太大，所以錨索的最大間距一般規(guī)定為4m之內(nèi)。此外，錨索的橫向間距與縱向間距需要滿足于土拱效果的需求。當(dāng)前人們通過(guò)對(duì)土拱現(xiàn)象的實(shí)際分析，設(shè)計(jì)出三維土拱效應(yīng)計(jì)算模型，通過(guò)三維土拱計(jì)算模型可以建立起錨索橫向間距與縱向間距之間的控制數(shù)據(jù)公式。具體公式為：HB≤4cH12/（1-2tanφ/3tanθ）qcosθ。其中：H是錨索縱向間距；B是錨索的橫向間距；c為土體環(huán)境的黏聚力；q為拱后土體所受均布推力；H1為單元格結(jié)構(gòu)的寬度；θ為破壞面與主應(yīng)力作用方向的角度，θ=45°-φ/2，φ為土體環(huán)境的內(nèi)摩擦角度。

3十字形裝配式基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

十字形裝配式基坑支護(hù)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合支護(hù)體系的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果以及計(jì)算所得數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)錨索部件的應(yīng)力一般為600kN，但是在試驗(yàn)中單元格結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力并不高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所用鋼結(jié)構(gòu)材料的抗壓以及抗拉標(biāo)準(zhǔn)。所以錨索應(yīng)力為600kN的情況下，單元格結(jié)構(gòu)還可以有很多地方待于優(yōu)化，還有較大提升空間。因此從單元格結(jié)構(gòu)的構(gòu)成形式、截面大小等方向展開(kāi)優(yōu)化，達(dá)到十字形裝配式基坑支護(hù)體系重量更輕、成本更低的目的。3.1單元格結(jié)構(gòu)的組成形式優(yōu)化。通過(guò)對(duì)十字形裝配式基坑支護(hù)進(jìn)行應(yīng)力試驗(yàn)得知，單元格結(jié)構(gòu)的表面鋼結(jié)構(gòu)板部分的應(yīng)力變片受到的應(yīng)變較小，表示應(yīng)力很大，基本上是不受力。這種情況主要是由于錨索部件可以通過(guò)錨具來(lái)傳遞給單元格結(jié)構(gòu)應(yīng)力，這些應(yīng)力很大一部分都由方管結(jié)構(gòu)吸收，而上部分表面的鋼結(jié)構(gòu)板并沒(méi)有起到吸收應(yīng)力的作用，其作用主要是與方管進(jìn)行連接，大部分應(yīng)力已經(jīng)由方管來(lái)承擔(dān)。因此，在十字形裝配式基坑支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以將頂部的鋼結(jié)構(gòu)板去掉，一方面，這一部件起到的作用很小，也不會(huì)影響十字形裝配式基坑支護(hù)的質(zhì)量，另一方面，去掉鋼結(jié)構(gòu)板之后，結(jié)構(gòu)整體重量更加輕便，同時(shí)也降低了工藝成本，節(jié)省一部分材料消耗。其次，在應(yīng)力試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)處于錨索作用位置的上表面鋼板結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大，這種情況主要有兩點(diǎn)原因，第一是接近錨索作用位置的應(yīng)變片接近加強(qiáng)板位置，因此受到的應(yīng)力較為集中，且受力成分較為復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，最終導(dǎo)致部件應(yīng)力增加。第二由于單元格結(jié)構(gòu)的錨索孔設(shè)計(jì)直徑一般為219mm，這一尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于墊板孔的設(shè)計(jì)尺寸（75mm），也比錨具直徑要大（85mm），這種情況導(dǎo)致墊板受到錨具傳遞來(lái)的應(yīng)力較大，進(jìn)而會(huì)讓材料發(fā)生形變，使得部件的應(yīng)力變得更大。因此，在十字形裝配式基坑支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以降低錨索孔的直徑尺寸，此外由于圓形鋼管在支護(hù)結(jié)構(gòu)中主要承擔(dān)應(yīng)力作用，需要有足夠的材料強(qiáng)度保證在應(yīng)力作用下不會(huì)發(fā)生形變，因此在設(shè)計(jì)上需要保證圓形鋼管的厚度至少為10mm，可以選擇102mm的圓形鋼管，其厚度為10mm。通過(guò)對(duì)十字形裝配式基坑支護(hù)進(jìn)行有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在計(jì)算后每個(gè)單元格結(jié)構(gòu)的都會(huì)節(jié)省鋼結(jié)構(gòu)材料約55.95kg，參考我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)材料的市場(chǎng)行情，節(jié)省成本預(yù)計(jì)為195元。同時(shí)，優(yōu)化之后的單元格結(jié)構(gòu)受力情況更加科學(xué)合理，重量更加輕便，有效的降低施工成本，且便于安裝提高了施工效率，每個(gè)單元格結(jié)構(gòu)預(yù)計(jì)節(jié)省材料制作時(shí)間約2小時(shí)。3.2截面大小的優(yōu)化。單元格結(jié)構(gòu)的主要框架為200mm×100mm×10mm型的方管共計(jì)4根，這4根方管是應(yīng)力的主要承擔(dān)部分，經(jīng)過(guò)實(shí)際計(jì)算其最大的拉力和壓力可達(dá)到35.17MPa，這一數(shù)據(jù)低于鋼結(jié)構(gòu)材料預(yù)計(jì)的抗拉和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)，這種情況說(shuō)明鋼結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)沒(méi)有真正的發(fā)揮出來(lái)。因此，需要對(duì)單元格結(jié)構(gòu)的主體框架設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，主要從其截面設(shè)計(jì)入手，在進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用200mm×100mm×6mm型的方管作為主要框架結(jié)構(gòu)完全可以保證質(zhì)量，下部表面可以使用6mm的鋼結(jié)構(gòu)板。單元格結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，每個(gè)單元格結(jié)構(gòu)預(yù)計(jì)節(jié)省鋼結(jié)構(gòu)材料248.57kg，節(jié)省成本約為868.5元。在優(yōu)化之后的單元格結(jié)構(gòu)重量約為628kg，相比于原有單元格結(jié)構(gòu)重量935kg，重量大大的減輕了，這種新型的支護(hù)體系不僅讓結(jié)構(gòu)更加合理，提高各個(gè)部件的利益率，還有效的降低了材料成本。此外，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠使得單元格結(jié)構(gòu)更加輕便，利于施工，還大大的節(jié)省了預(yù)制件的制造時(shí)間。

綜上所述，十字形裝配式基坑支護(hù)在實(shí)際的施工過(guò)程中能夠發(fā)揮很好的支護(hù)作用，由于這種支護(hù)體系是有橫梁與縱向肋梁交叉設(shè)計(jì)，因此穩(wěn)定性良好，是一種成本低、易安裝、綠色生態(tài)的支護(hù)方法。在通過(guò)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)十字形裝配式基坑支護(hù)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從單元格結(jié)構(gòu)的形式、材料以及截面等部分進(jìn)行優(yōu)化，能夠大大的減少材料的實(shí)際消耗，不僅能夠有效的降低材料的成本，節(jié)約施工資金，還有效的提高了支護(hù)體系各個(gè)部件的利用率，節(jié)省大量的預(yù)制件制造時(shí)間，更加便于施工，提高了施工速度。因此，可以看出十字形裝配式基坑支護(hù)體系在實(shí)際的應(yīng)用中將發(fā)揮更加重要的作用。

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作者:秦峰 單位:中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司