1、第二十講支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工(一)2一、概述深基坑支護體系由兩部分組成：一是圍護墻，二是內(nèi)支撐或者土層錨桿。它們與擋土樁墻一起，以增強支護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，不僅直接關(guān)系到基坑的安全和土方開 挖，對基坑的工程造價和施工進度影響也很大。作用在擋墻上的水、土壓力可以由內(nèi)支撐有效地傳遞和平衡，也可以由坑外設(shè)置的土錨維持其平衡，它們還能減少支護結(jié)構(gòu)的位移。內(nèi)支撐可以直接平衡兩端圍護墻上所受到的側(cè)壓力，構(gòu)造簡單，受力明確。土錨設(shè)置在圍護墻的背后，為挖 土、結(jié)構(gòu)施工創(chuàng)造了空間，有利于提高施工效率。在軟土地區(qū)，特別是在建筑密集的城市中，應(yīng)用比較多的還是支撐，因此本章以介紹支撐的設(shè)計與施工為主。3二、支撐結(jié)構(gòu)概述1

2、、支撐材料的選擇目前在一般建筑工程和市政工程中采用的支撐系統(tǒng)，按其材料可分為撐。支撐、型鋼支撐、鋼筋混凝土支根據(jù)工程情況，有時在同一個基坑中采用鋼和鋼筋混凝土的組合支撐。4二、支撐結(jié)構(gòu)概述(1) 鋼結(jié)構(gòu)支撐優(yōu)點鋼結(jié)構(gòu)支撐具有自重小，安裝和拆除都很方便，而且可以重復(fù)使用等優(yōu)點。根據(jù)土方開挖進度，鋼支撐可以做到隨挖隨撐，并可施加預(yù)緊力，這對控制墻體變形是十分有利的。因此，在一般情況下，應(yīng)優(yōu)先采用鋼支撐。5二、支撐結(jié)構(gòu)概述缺點鋼結(jié)構(gòu)支撐整體剛度較差，安裝市點比較多，當節(jié)點構(gòu)造不合理，或施工不當不符合設(shè)計要求，往往容易造成因節(jié)點變形與鋼支撐變形，進而造成基坑過大的水平位移。有時甚至由于市點破壞，造成斷

3、一點而破壞整體的。對此應(yīng)通過合理設(shè)計、嚴格現(xiàn)場管理和提高施工技術(shù)水措施加以控制。6二、支撐結(jié)構(gòu)概述(2) 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)支撐優(yōu)點現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)支撐具有較大的剛度，適用于各種復(fù)雜平面形狀的基坑。現(xiàn)澆節(jié)點不會產(chǎn)生松動而增加墻移。工程實踐表明，在鋼結(jié)構(gòu)支撐施工技術(shù)水平不高的情況下，鋼筋混凝土支撐具有更高的可靠性。7二、支撐結(jié)構(gòu)概述缺點混凝土支撐有自、材料不能重復(fù)使用，安裝和拆除需要較長工期等缺點。當采有用方法拆除支撐時，會出現(xiàn)噪聲、以及碎塊飛出等危害，在鬧市區(qū)施工應(yīng)予注意。由于混凝土支撐從鋼筋、模板、澆搗至養(yǎng)護的整個施工過程需要較長的時間，因此不能做到隨挖隨撐，這對挖制墻體變形是不利的，對于大型

4、基坑的下部支撐采用鋼筋混凝土時應(yīng)特別慎重。8二、支撐結(jié)構(gòu)概述2、支撐體系的結(jié)構(gòu)形式(1)單跨壓桿式支撐。當基坑平面呈窄長條狀、短邊的長度不很大時，采用這種形式具有受力明確，施工安裝方便等優(yōu)點，圖20-1即為這種形式的示意圖。9圖20-1 單跨壓桿式支撐二、支撐結(jié)構(gòu)概述(2)多跨壓桿式支撐。當基坑平面尺寸較大，支撐桿件在基坑短邊長度下的極限承載力尚不能滿足圍護系統(tǒng)的要求時，就需要在支撐桿件中部設(shè)置著干支點，就組成了多跨壓桿式支撐系統(tǒng)，如圖20-2所示。圖20-2 多跨壓桿式支撐10二、支撐結(jié)構(gòu)概述3、支撐布置的基本形式一般情況下，支撐布置的基本形式有水平支撐體系和豎向斜撐體系兩種。(1) 水平支

5、撐體系由圍檁(即布置在圍護墻內(nèi)側(cè)，并沿水平方向四周兜轉(zhuǎn)的圈梁)、水平支撐和立柱組成，如圖20-3所示。圖20-3 水平支撐體系11二、支撐結(jié)構(gòu)概述水平支撐可以分為：貫通基坑全長或全寬的對撐或?qū)舞旒?；位于基坑角部兩鄰邊之間的斜角撐或斜撐桁架；位于對撐或?qū)舞旒芏瞬康陌俗謸?；由圍檁和靠近基坑邊的對撐為弦桿的邊桁架；支撐之間的連系桿等。水平支撐體系整體性好，水平力傳遞可靠平面剛度較大，適合于大小深淺不同的各種基坑，適用范圍較廣。12二、支撐結(jié)構(gòu)概述(2)豎向斜撐體系由圍檁、豎向斜撐、斜撐基礎(chǔ)、水平連系桿以及立柱等組成，如圖20-4所示。13圖20-4 豎向斜撐體系二、支撐結(jié)構(gòu)概述豎向斜撐體系要求土

6、方采取“盆形”開挖，即先開挖中部土方，沿四周圍護墻邊預(yù)留土坡，待斜撐安裝后，再挖除四周土坡。基坑變形受到土坡和斜撐基礎(chǔ)變形的影響，一般適用于環(huán)境保護要求不高，開挖深度不大的基坑。對于平面尺寸較大，形狀復(fù)雜的基坑，采用豎向斜撐方案可以獲得較好的經(jīng)濟效果。14三、鋼支撐的計算鋼支撐目前用得最多的是支撐 和 H型鋼支撐。這類支撐具有重量輕、剛度大、裝拆工作量小、可重復(fù)使用和材料消耗少等特點。在國內(nèi)外被廣泛使用于深基坑開挖，特別是地鐵車站的長條形基坑，在建筑深基坑中使用也較廣泛。151、鋼支撐作為壓彎桿件的計算單跨壓彎桿件的內(nèi)力與變形的計算圖20-5為單跨受壓桿件，其內(nèi)力與位移的計算方法如下。取單跨壓

7、彎桿件的體如圖20-6所示：圖20-5 單跨壓彎桿件圖20-6 單跨壓彎桿件體16A端支座反力(20-1)x處的彎矩：(20-2)17當Ma=Mb= 0，y(x)=0時，壓桿的跨中彎矩為(20-3)忽略剪切變形及彎曲后桿軸彎矩效應(yīng)的影響，有(20-4)又(20-5)18式(20-4)代入式(20-5)，解得此微分方程通解為(20-6)根據(jù)桿端撓度為零的邊界條件可求得(20-7)19根據(jù)式(20-6)可求出支撐上任一點的撓度。下面計算轉(zhuǎn)角及梁上的任一截面的彎矩。所以(20-8)20式中(20-9)則(20-10)21(2) 多跨連續(xù)壓彎桿件的內(nèi)力與變形的計算如圖20-7所示，多跨連續(xù)壓彎桿件中相

8、鄰兩跨第 i-1 跨和第 i 跨，以Mj（j = i1，i，i+1）表示桿件在第 j 個支座處的彎矩。圖20-7 多跨連續(xù)壓彎桿件體22設(shè)第 i-1 跨在 i 支座轉(zhuǎn)角為，第i跨在i支座處轉(zhuǎn)角為，根據(jù)式（20-8）有結(jié)構(gòu)在彈性階段內(nèi)滿足變形協(xié)調(diào)條件=，所以(20-11)這就是多跨連續(xù)壓彎桿件的三彎矩方程。當各跨跨度和剛度相同時，式（20-11）可簡化為(20-12)23一個n跨連續(xù)壓彎桿件共有n+1個支座，對其中n-1個中間支座可根據(jù)式(20-11)或式(20-12)寫出n-1個三彎矩方 程；對兩個邊支座可根據(jù)已知邊界條件寫出彎矩。因 此，可求出桿件在每一支座處彎矩Mi ( i=1，2，n+1

9、)。從而計算任意跨內(nèi)任意截面的撓度、彎矩。242、壓桿極限承載力的計算方法結(jié)構(gòu)達到最大承載能力或出現(xiàn)不能繼續(xù)承載的變形時的狀態(tài)稱為承載能力極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)下的荷載稱為極限承載力。壓桿的承載能力極限狀態(tài)包括兩種形式：桿件受壓喪失穩(wěn)定；桿件截面應(yīng)力達到材料屈服點fy。此時雖然桿件仍可繼續(xù)加載，但變形很大，結(jié)構(gòu)上通常認為不適合再加載。25對于單跨壓桿，或各跨剛度與跨度相同的多跨連續(xù)壓桿(如圖20-8)，其臨界荷載即為荷載：圖20-8 多跨連續(xù)壓桿(20-13)式中 l計算跨度。26(1) 壓桿的強度極限承載力桿件只承受軸壓力，忽略桿件自重影響，此時截面上正壓應(yīng)力均勻分布，所以強度極限承載力

10、可按下式計算：(20-14)壓桿的極限承載力應(yīng)是臨界荷載Pcr和強度極限承載力P中的較小者。27(2) 不等跨連續(xù)壓桿的臨界荷載計算如果各跨跨度或剛度不等，那么失穩(wěn)時n-1個中間支座上彎矩不全為零。與多跨連續(xù)壓彎桿件類似地三彎矩方程：如下的(20-15)到一個關(guān)于M1、對每個中間支座寫出一個方程，M2，Mn-1的等于零，即線性方程組。方程組的系數(shù)行列式28(20-16)這就是桿件的穩(wěn)定方程，根據(jù)該方程可求出桿件的臨界荷載。對于兩跨連續(xù)壓桿，方程（20-16）中的行列只有一項，即穩(wěn)定方程為：(20-17)29對于三跨連續(xù)壓桿，方程（20-16）中行列式取前兩行兩列，即穩(wěn)定方程為(20-18)如圖

11、20-19所示的一桿兩跨跨度不等的連續(xù)壓桿，其穩(wěn)定方程為(20-19)圖20-19 兩跨跨度不等的連續(xù)壓桿30令U1=kl1，穩(wěn)定方程（20-19）可改寫成(20-20)(20-21)從而31從方程（20-20）可以看出，U1值僅與兩跨度之比l1/l2有關(guān)，該系數(shù)反映了第二跨對第一跨穩(wěn)定的影響，表20-1中列出了部分l1/l2值對應(yīng)的U1。表20-1不等二跨連續(xù)壓桿的U1值表32當l2l1時，因跨度為l2的臨界荷載Pcr2小于跨度為l1的臨界荷載Pcr1，所以第二跨對第一跨的失穩(wěn)起一個“加速”作用，U1值小于臨界荷載計算分式Pcr=2EI/l12中對應(yīng)的系數(shù)，且l1/l2 越小，“加速”作用越顯著，U1值越小。反之，當l2l1 時，第二跨對第一跨失穩(wěn)起一個“約束”作用，U1值大于，且l1/l2 越大，“約束”作用越明顯，Ul值越大。當l1/l2 很大時，說明第一跨度遠大于第二跨 度，此時U1值接近于一端簡支一端固定單跨壓桿臨界荷載計算分式中的對應(yīng)系數(shù)。所以，圖20-9所示二跨連續(xù)壓桿臨界荷載值應(yīng)介于Pcr1和Pcr2之間。33同理，對于三跨連續(xù)壓桿(圖20-10)的臨界荷載亦為圖20-10 三跨連續(xù)壓桿式中 U1 僅與l1/l2、l