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Discussion on the Supporting Form of Steel Sheet Pile-transverse Brace
Structure Suitable for Deep Foundation Pit
张怡 ZHANG Yi；邹春浪 ZOU Chun-lang
（中交第二航务工程局有限公司第六工程分公司，武汉 430014）
（CCCC Second Harbor Engineering Co.，Ltd. No.6 Branch，Wuhan 430014，China）
摘要：传统支护结构具有自重大、回收利用率低等特点；本文基于某市政桥梁介绍了一种由钢结构组成的钢板桩-横撑结构支护形式。建立了数值有限元模型，计算了应力、变形、稳定性等值，结果表明，此种支护形式具有良好的性能。
Abstract: The traditional supporting structure has the characteristics of self-weight and low recycling rate. This paper introduces a steel sheet pile-transverse support structure composed of steel structure based on a municipal bridge. A numerical finite element model was established, and the values of stress, deformation, and stability were calculated. The results showed that this type of support has good performance.
关键词：深基坑；钢板桩；支护结构
Key words: deep foundation pit；steel sheet pile；supporting structure
中图分类号：TU753.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2021）01-0153-03
1 概述
随着经济的发展，人们的活动范围越来越大，进而导致对建筑、桥梁、隧道等土木工程结构的需求量越来越多。基础工程在土木结构中发挥了至关重要的作用，良好的基础是结构功能体现的关键，同时基础的建设耗时最久，现代土木结构的基础一般较大、较深，采取何种基坑支护系统已成为一个关键的问题。传统基坑一般采用地下连续墙、混凝土灌注桩等方式以形成支护系统，但其施工复杂、对周边环境的影响很大、回收利用率低，故其所需费用巨大，传统混凝土支护结构难以拆除，此部分施工困难，给地下开发制造了困难。相比而言，钢板桩-横撑组合结构属于一种新型基坑支护方式，即利用钢结构中型钢优良的抗弯性能来抵抗外界荷载，以达到安全防护的目的，钢结构具有可回收重复利用特征，使得建筑材料具有循环利用能力。钢板桩-横撑组合结构在施工过程中尽可能减小其对周边土体的影响，为基础施工后的恢复提供了便捷，同时钢板桩-横撑组合结构的止水性能好，为基坑安全施工提供了保障。综上所述，可以预见的是，钢板桩-横撑组合结构凭借着安全、经济、环保等优点，在未来土木结构市场中的应用将越来越广泛。
以某桥水中承台基坑支护为例，验证了钢板桩-横撑组合结构可满足施工使用要求，为相关工程的设计建造提供了参考。
以某桥水中承台基坑支护设计参数：外围直径40m，内侧直径36m；高度21.1m；壁厚2m。钢材依据规范采用[1]，依据强度设计法进行设计，同时受压构件的长细比均不得超过150以防止构件失稳。依据现场采用的钢材等级，许用应力与材料屈服极限应力的比值应小于0.7，钢板桩的变形限值为80mm。
本文依据所受荷载情况，通过数值模拟手段分析了其在不利工况下的响应：强度、刚度、整体稳定性，对其合理性进行了验证，采用公式计算了结构的抗倾覆能力。
2 数值模拟结果
采用大型通用有限元软件Midas/Civil2015[2]软件分析，钢板桩采用板单元模拟，竖肋、角钢、环撑主要承受轴力、弯矩，工程中采用梁单元模拟既可以满足精度要求，而混凝土的厚度一般较大，因此需要采用六面体的实体模拟混凝土[3]。模型如图1所示。
2.1 工况1的验算
①计算条件。外侧壁板水压力高度15.8m；露出水面壁板施加风载，高度为1.5m。
②有限元方法模型。不同构件采用不同的有限元单元模拟，以模拟其实际受力情况，具体采用何种单元已在前文中提及，在此不再阐述。由于整体结构单元较多，若把模型全部模拟出来将需要很大的代价来计算，同时对于筒体结构，其受力具有对称性，因此，仅需考虑1/4模型。在此工况下，外界荷载激励自重、水压力（包括静止的及运动的）、漏出水面部分需要考虑风荷载。
荷载组合为1.2×恒载+1.2×静水压力+1.4×动水压力+1.05×风荷载。
将恒载、静风荷载、静水压力、动水压力设置为可变荷载，一阶屈曲系数为9.7，稳定性满足要求。
由计算结果可知，在工况1下钢板桩的最大应力为140MPa，混凝土有效的减小了钢板桩应力水平，许用应力与材料屈服极限应力的比值小于0.7；最大变形为6mm，容许变形为80mm；稳定系数为9.7。故在该工况下该钢板桩-横撑结构满足强度、刚度、稳定性要求，且富裕度较大，满足工程需求。
2.2 工况2的验算
①计算条件。在混凝土顶部至建筑物的顶部区间灌水，高度为12.3m；外侧钢板桩压力差为17.3m；不考虑风荷载。
②有限元方法模型。
数值模型与工况1相同，但荷载进行了调整，将上部风荷载替换为隔舱内水压力。
荷载组合为1.2×恒载+1.4×静水压力+1.4×动水压力。
将恒载、静风荷载、静水压力、动水压力设置为可变荷载，一阶屈曲系数为7.6，稳定性满足要求。
由计算结果可知，在工况2下钢板桩的范梅塞斯应力为161MPa，许用应力与材料屈服极限应力的比值小于0.7；最大变形为7mm，容许变形为80mm；稳定系数为7.6。故在该工况下钢板桩-横撑结构各项性能满足要求，可达到工程使用要求。
2.3 钢板桩-横撑组合结构整体抗浮验算
建筑物封底混凝土浇筑完毕后，抽水施工承台，水流力、风荷载作用，计算强度、刚度、稳定性。
钢板桩-横撑组合结构顶标高237，设防水位标高235.5。
承台底标高219.6m。
位于底部的混凝土直接受到浮力，其受力工况最不利，封底混凝土受到的最大荷载（方向向上）：
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式中：
r—混凝土容重r=24kPa；
A—钢板桩-横撑组合结构底面积A=3.14×（402）/4=1256m2；
A1—16个护筒截面积总和A1=16×3.14×（3.42）/4=145m2；
Gt—建筑物自重。
浇筑3.8m封底混凝土时：
建筑物（内外壁板、环板、环板加劲板、防撞板、连杆、竖肋）总质量为1713t。
隔舱内混凝土重量：24×3.14×（202-182）×（225-220）=28651kN
隔舱内灌水重量：1×3.14×（202-182）×（237-225）×9.8=28913kN
灌水钢板桩-横撑组合结构重量：
1713×9.8+28651+28913=74369kN
不灌水钢板桩-横撑组合结构重量：
1713×9.8+28651=45456t
建筑物封底混凝土受的水浮力：
Pw=9.8×（237-216）=207kPa
所以：
灌水F0=水浮力-封底重量-钢板桩-横撑组合结构重量
=207×（1256-145）-24×（1256-145）×3.8-71123=58043kN
不灌水F0=水浮力-封底重量-钢板桩-横撑组合结构重量
=207×（1256-145）-24×（1256-145）×3.8-42210=86953kN
钢与混凝土的粘结力取100kPa时，混凝土握裹力：
F1=3.14×3.4×3.8×100×16=64943kN
日本规范AIJ（1997）与苏通大桥南主墩试验，建议粘结力取150kPa，此时混凝土握裹力：
F2=3.14×3.4×3.8×150×16=97414kN
抗浮计算表如表1所示。
故钢板桩-横撑组合结构抗浮满足要求。
2.4 钢板桩-横撑组合结构抗倾覆验算
水流力产生的倾覆弯矩：
M水=4.7×40×（237-220）2×2/3=37811
结构抗倾覆弯矩为：
M抗=（101357+97414+28913+16805+28651-230524）×20=852331
抗倾覆能力满足需求。
2.5 施工建议
钢板桩-横撑组合结构吊装是应保证吊装钢丝绳与结构可靠连接，由于钢板桩是采用多个小构件拼装而成，为防止其渗水等问题，应使钢板桩之间紧密连接，必要时需要采用胶体等物件消除缝隙。
总体施工流程为：施工准备→钢板桩-横撑组合结构范围内采用抓斗船进行基坑开挖（同步进行工厂内钢板桩-横撑组合结构制作）→施工栈桥与作业平台→施工钢板桩-横撑组合结构拼装支架（定位下放支架）→安装导向装置→拼装钢板桩-横撑组合结构→安装下放系统（进行试吊试验）→基底检查清理→钢板桩-横撑组合结构漏水检查→钢板桩-横撑组合结构下放→钢板桩-横撑组合结构侧壁混凝土填充→钢板桩-横撑组合结构防冲刷施工→桩基护筒安装→搭设封底混凝土施工平台→封底混凝土施工→搭设桩基施工平台→桩基施工→桩检合格后钢板桩-横撑组合结构抽水→破桩头→封底混凝土顶找平层施工→承台施工→下塔柱施工→钢板桩-横撑组合结构拆除。
施工期间严禁出现局部荷载作用于钢板桩上，应设置警示牌避免船体撞击钢板桩。挖方时应从侧面分段开挖，对松石或松动土块需要及时清除，不宜超挖，不得欠挖。
施工期间应做好监控监测工作，主要包括钢板桩观测点处的水平、垂直位移，对于底部通过应变装置监测受力较大处的应力。对于天气不好的时间应当加密监测的次数。
3 结论
本文通过某工程实例介绍了钢板桩-横撑组合结构，通过计算结构在不同工况下的应力水平、变形量、稳定系数及抗倾覆能力，结果表明钢板桩-横撑组合结构满足预期受力要求，可为基坑安全施工提供充足的保障。同时，该支护结构主要采用钢结构材料，拆除方便，具有良好的可回收性能，可以预见的是，随着绿色建筑理念的慢慢推广，土木建筑对钢结构的需求将逐渐增大，钢板桩-横撑组合结构的应用将越来越广泛。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准.GB50017-2017，钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社.
[2]张守海.MidasCivil软件在悬灌连续梁施工中的三维仿真模拟验算分析[J].科技创新，2014.
[3]白宝鸿.双壁钢围堰三维整体与平面模型仿真计算分析[J].国防交通工程与技术，2006. |
