張明聚, 郭雪源, 馬 棟, 黃立新, 王武現(xiàn)

(1.北京工業(yè)大學 北京城市交通協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100124；2.中鐵十六局集團有限公司， 北京 100018)

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基坑工程裝配式鋼管混凝土內(nèi)支撐體系設(shè)計方法

張明聚1, 郭雪源1, 馬 棟2, 黃立新2, 王武現(xiàn)2

(1.北京工業(yè)大學 北京城市交通協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100124；2.中鐵十六局集團有限公司， 北京 100018)

為了解決常用基坑內(nèi)支撐剛度不足、拆裝不便等問題，針對明挖地鐵車站基坑工程特點提出裝配式鋼管混凝土內(nèi)支撐體系，包括標準直撐、短接直撐及連接節(jié)點等. 根據(jù)該支撐體系受力和結(jié)構(gòu)特點，推導(dǎo)了各組成部分的內(nèi)力計算公式；依據(jù)鋼管混凝土規(guī)范和壓桿穩(wěn)定歐拉公式，建立了鋼管混凝土支撐、圍檁等部件的承載力計算方法；通過混凝土材料的配合比設(shè)計及工作、物理、力學性能檢測試驗，配制出了具有輕質(zhì)、微膨脹和自密實性能的CL50高強混凝土作為鋼管混凝土內(nèi)支撐的填充材料；以北京地鐵某車站基坑工程設(shè)計資料為依據(jù)，對其標準段進行了詳細的支撐體系設(shè)計，并對基坑變形、穩(wěn)定性和支撐受力進行了驗算. 研究結(jié)果表明：所提出的內(nèi)支撐體系設(shè)計計算方法合理可靠，所設(shè)計的裝配式鋼管混凝土內(nèi)支撐體系能滿足該基坑工程內(nèi)支撐體系受力和基坑穩(wěn)定的要求.

基坑支護；鋼管混凝土；內(nèi)支撐體系；裝配式結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土利用鋼管與核心混凝土的相互作用，提高混凝土抗壓強度，延緩鋼管的局部屈曲[1-2]，在軸壓和小偏心受壓桿件結(jié)構(gòu)中，表現(xiàn)出良好的受力性能，在建筑工程、橋梁工程及地下工程中應(yīng)用廣泛[3-6]. 基坑內(nèi)支撐受自重和土壓力作用，是小偏心壓彎桿件結(jié)構(gòu)，采用鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)形式是合理可行的.

國內(nèi)外學者已提出了一系列基坑內(nèi)支撐體系新形式，主要包括裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)2類. 詹集明[7]提出了裝配式連拱形鋼管混凝土內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，對構(gòu)件和節(jié)點設(shè)計確定了明確的原則，給出了多種體系設(shè)計形式. 謝偉等[8]提出了拼裝式深基坑內(nèi)支撐體系及其體系結(jié)構(gòu)計算的簡化模型. 該體系主要由立柱、圍檁和預(yù)制混凝土梁組成，預(yù)制混凝土梁通過螺栓拼裝，通過活絡(luò)頭調(diào)節(jié)支撐的長度. 井國慶等[9]提出一種基坑橫向內(nèi)支撐，在每根鋼管內(nèi)灌注混凝土，首尾通過2個半環(huán)形箍，用螺栓和螺母連接，形成鋼管混凝土結(jié)構(gòu). 張明聚等[10-11]針對深基坑多道支撐提出了采用鋼管混凝土體系增加內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性. 王祺國[12]提出了一種硫磺膠泥- 鋼筋混凝土支撐形式，把硫磺膠泥作為構(gòu)成支撐的一部分置于支撐之中，既具有混凝土支撐的剛度與強度，又利用了硫磺膠泥的熱熔性，拆除方便. 劉全林等[13]提出了一種高剛度整體預(yù)應(yīng)力裝配式基坑支護內(nèi)支撐系統(tǒng)，包括可沿其軸線向基坑外側(cè)施加預(yù)應(yīng)力的對撐、角撐和圍檁，提高了支撐剛度和穩(wěn)定性，且為圍檁提供了預(yù)應(yīng)力. 魏建華等[14]提出了一種工具式鋼管混凝土支撐構(gòu)件，包括截面為矩形的鋼管，鋼管內(nèi)填充有混凝土，管壁上設(shè)置有翼緣板，翼緣板上設(shè)置有螺栓孔，可用作基坑對撐、角撐、圍檁、立柱等構(gòu)件. 錢久軍等[15]提出了一種基坑支護系統(tǒng)的預(yù)制裝配式內(nèi)支撐體系，該體系包括壓頂梁、圍檁和內(nèi)支撐，內(nèi)支撐由預(yù)應(yīng)力空心方樁通過節(jié)點連接件拼接裝配而成. 周繼忠等[16]提出了一種深基坑支護擋墻鋼管混凝土支撐結(jié)構(gòu)，包括依次連接的預(yù)制鋼管混凝土接頭組件和預(yù)制鋼管混凝土直段組件，各組件均通過端頭的螺栓、法蘭盤進行鎖合連接. 王金海等[17]提出一種組合內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，將預(yù)制混凝土構(gòu)件作為結(jié)構(gòu)的主體部分，承擔深基坑支護所需承受的荷載，采用鋼套筒進行相鄰預(yù)制混凝土構(gòu)件間的對接.

對于裝配式高性能基坑內(nèi)支撐雖已有多種結(jié)構(gòu)形式提出，但其設(shè)計計算方法的研究不夠深入，實際工程應(yīng)用較少. 本文以地鐵車站基坑工程為背景，提出裝配式鋼管混凝土內(nèi)支撐體系，研究提出可用于該類內(nèi)支撐設(shè)計的分析計算方法，并通過工程實例設(shè)計分析，驗證計算方法的合理性和可靠性.

1 裝配式內(nèi)支撐體系方案及優(yōu)點

一般地，地鐵車站呈長條形，采用明挖法修建時，基坑長度多大于150 m，標準段寬度為18.5～23.0 m，適合內(nèi)撐式支護形式.

所設(shè)計的鋼管混凝土內(nèi)支撐體系由多道鋼管混凝土內(nèi)支撐框架組成，見圖1. 當所需支撐力較小時，鋼管混凝土支撐采用單肢設(shè)計，見圖2；需支撐力較大時，采用雙肢的支撐結(jié)構(gòu)形式，見圖3. 該內(nèi)支撐框架由鋼管混凝土構(gòu)件通過三面翼緣的法蘭、螺栓拼裝連接構(gòu)成，構(gòu)件類型包括標準直撐構(gòu)件、節(jié)點構(gòu)件和短接直撐構(gòu)件. 標準直撐構(gòu)件為長6、3 m或1 m的標準長度直桿件；節(jié)點構(gòu)件用于該支撐框架各部分的連接，單肢支撐與圍檁間采用T型節(jié)點構(gòu)件，雙肢支撐與圍檁間采用Π型節(jié)點構(gòu)件，八字撐與支撐、圍檁間采用Y型節(jié)點構(gòu)件連接；短接直撐構(gòu)件是為滿足不同基坑尺寸和內(nèi)支撐體系拼裝長度的要求，小于1 m的填充用直桿件. 所有鋼管混凝土構(gòu)件的截面均為相同尺寸的矩形，見圖4，對于構(gòu)成鋼管混凝土圍檁的構(gòu)件，其矩形截面的長邊(高)沿水平方向設(shè)置；對于構(gòu)成鋼管混凝土支撐的構(gòu)件，其矩形截面的短邊(寬)沿水平方向設(shè)置. 鋼管混凝土構(gòu)件由壁厚大于4 mm的矩形薄壁鋼管內(nèi)部填充具有高強、輕質(zhì)、微膨脹和自密實等性能的高性能混凝土構(gòu)成，含鋼率為6%～10%. 支撐體系的圍檁與圍護結(jié)構(gòu)間由施工誤差產(chǎn)生的間隙，采用具有早強微膨脹性能的高強水泥砂漿進行填充，見圖5.

支撐體系的支撐和圍檁采用相同截面的構(gòu)件，均為矩形截面，根據(jù)支撐和圍檁的受力特點，調(diào)整矩形截面放置的方向，增加了結(jié)構(gòu)受彎方向的截面慣性矩，尤其是對鋼管混凝土支撐，增大了支撐自重方向抗彎剛度，從而提高了支撐彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性. 構(gòu)件間采用三面翼緣的法蘭相互連接，有一側(cè)無翼緣的法蘭設(shè)計保證了圍檁與圍護結(jié)構(gòu)接觸面的平整，同時，無翼緣一側(cè)位于構(gòu)件受壓部分，不會影響構(gòu)件連接處性能. 采用單肢支撐和雙肢支撐2種方案來適應(yīng)各道支撐所需承載力的變化. 在高性能的材料和結(jié)構(gòu)的保障下，該內(nèi)支撐體系具有較高抗壓剛度，控制基坑變形能力強；基坑寬度達20 m時依然可采用單跨設(shè)計，并且可以將支撐間距擴大至6 m左右，為基坑開挖提供更大作業(yè)空間，因此，提出的鋼管混凝土內(nèi)支撐體系可適用于控制變形要求嚴格的長條形深基坑.

2 裝配式鋼管混凝土內(nèi)支撐體系設(shè)計計算方法

2.1 內(nèi)力計算方法

2.1.1 支撐、圍檁內(nèi)力計算方法

基坑內(nèi)支撐軸力計算可采用經(jīng)典解析法[18]、土抗力法[19-20]和有限元法[21-22]等方法，本文提出了圍檁受最大彎矩的解析計算方法. 單肢及雙肢內(nèi)支撐體系圍檁區(qū)段形式如圖6所示，支撐對圍檁的作用簡化為支座，在土壓力q的作用下，單肢結(jié)構(gòu)的圍檁可簡化為固端梁模型，見圖7(a)，其基于支撐軸力N的最大彎矩計算公式為

(1)

雙肢結(jié)構(gòu)的圍檁可簡化為連續(xù)梁模型，見圖7(b)，其基于支撐軸力N的最大彎矩計算公式如下：

對雙肢內(nèi)支撐體系，支撐受軸力N與圍檁受均布土壓力荷載q的關(guān)系是

N=(l2+0.5l3)q

(2)

經(jīng)推算圍檁最大彎矩可能發(fā)生在支座A或B處，當l3>l2時

(3)

當l3≤l2時

(4)

由式(1)～(4)可知，單肢內(nèi)支撐體系的圍檁最大彎矩可由支撐軸力和支撐間距確定；此外，雙肢內(nèi)支撐體系的圍檁最大彎矩還會受到八字撐支點位置的影響， 當l2=l3時為八字撐支點的最佳位置.

2.1.2 螺栓內(nèi)力計算方法

鋼管混凝土內(nèi)支撐體系的構(gòu)件間通過法蘭螺栓連接，構(gòu)件連接處螺栓組受力形式如圖8所示，受拉螺栓中，距離中性軸最遠的螺栓E的內(nèi)力值即為螺栓組的最大內(nèi)力控制值.

1) 圍檁螺栓內(nèi)力計算方法

單肢及雙肢內(nèi)支撐體系圍檁區(qū)段螺栓位置、圍檁內(nèi)力計算模型和各參數(shù)含義如圖6～7所示.

對單肢內(nèi)支撐體系，圍檁任意構(gòu)件連接位置C處螺栓E受拉力為

(5)

受到剪力為

(6)

對雙肢內(nèi)支撐體系，圍檁AB段任意構(gòu)件連接位置C處螺栓E受拉力為

(7)

受到剪力為

(8)

圍檁區(qū)段是對稱性設(shè)計， D處為構(gòu)件連接位置，D處螺栓E受拉力為

(9)

受到剪力為

N=0

(10)

式中：yi為螺栓距螺栓組中性軸距離；y1為螺栓距螺栓組中性軸最遠距離；n為螺栓組螺栓個數(shù).

由式(5)～(10)可知，單肢內(nèi)支撐體系的圍檁螺栓最大內(nèi)力可由支撐軸力、支撐水平間距、螺栓組所在位置和螺栓布置情況確定，確定螺栓組位置的參數(shù)x是螺栓優(yōu)化設(shè)計的重要參數(shù)；此外，雙肢內(nèi)支撐體系的圍檁螺栓最大內(nèi)力還會受到八字撐支點位置的影響.

2) 支撐螺栓內(nèi)力計算方法

單肢及雙肢內(nèi)支撐體系支撐區(qū)段螺栓位置、支撐內(nèi)力計算模型和各參數(shù)含義如圖9～10所示，圍檁對支撐的作用力可等效為鉸接支座.

對單肢內(nèi)支撐體系，支撐任意構(gòu)件連接位置C處，螺栓E受拉力為

(11)

受到剪力為

(12)

對雙肢內(nèi)支撐體系，支撐任意構(gòu)件連接位置C處，螺栓E受拉力為

(13)

受到剪力為

(14)

由式(11)～(14)可知，由于單肢內(nèi)支撐體系的支撐螺栓最大內(nèi)力計算考慮了二階彎矩效應(yīng)，計算結(jié)果不僅取決于支撐長度、支撐自重，螺栓組所在位置和螺栓布置情況，還受到支撐軸力、支撐截面參數(shù)和材料參數(shù)的影響；此外，雙肢內(nèi)支撐體系的支撐螺栓最大內(nèi)力還會受到八字撐長度的影響.

2.1.3 承托結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法

1) 工字鋼內(nèi)力計算

分別在圖6的1-1、2-2位置做剖面，得到內(nèi)支撐體系承托結(jié)構(gòu)布置情況如圖11所示.

支撐體系的自重是通過鋼管混凝土支撐端部傳導(dǎo)給工字鋼，再經(jīng)由薄鋼板、三角架和脹管螺栓最終傳導(dǎo)至圍護結(jié)構(gòu)的. 忽略薄鋼板的抗彎承載力，工字鋼和三角架對體系的承托作用可簡化為連續(xù)梁計算模型，見圖12，其最大截面彎矩即為工字鋼內(nèi)力控制值.

2) 三角架及脹管螺栓內(nèi)力計算

三角架受工字鋼壓力為N，填縫用水泥砂漿自重荷載為q，脹管螺栓簡化為鉸支座，其內(nèi)力計算模型如圖13所示，解得的結(jié)構(gòu)內(nèi)力即為三角架角鋼內(nèi)力，支座反力即為脹管螺栓內(nèi)力.

2.2 支撐體系承載力計算方法

2.2.1 支撐承載力計算方法

根據(jù)文獻[23-24]，對于單肢及雙肢內(nèi)支撐體系，支撐的抗壓承載力計算只在參數(shù)的取值上有區(qū)別，計算方法相同，計算結(jié)果的解析解如下：

1) 支撐彎矩作用平面內(nèi)的承載力計算

(15)

(16)

2) 彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性計算

記

(17)

當B2<4AC時

(18)

當B2>4AC時

(19)

當B2=4AC時

(20)

(21)

3) 彎矩作用平面外的穩(wěn)定性驗算

(22)

式中：N1、N2、N3、N4、N5分別為各計算內(nèi)容中支撐抗壓承載力設(shè)計值；M0為桿件在自重作用下的跨中彎矩；Nu為軸心受壓時截面受壓承載力設(shè)計值；Mu為只有彎矩作用時凈截面的受彎承載力設(shè)計值；PE為歐拉臨界力；N′E為歐拉臨界力設(shè)計值；φx、φy分別為彎矩作用平面內(nèi)、彎矩作用平面外的軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)；αc為混凝土工作承擔系數(shù)；β為等效彎矩系數(shù)；γ為安全系數(shù).

鋼管混凝土支撐的抗壓承載力設(shè)計值為

N=min {N1,N2,N3,N4,N5}

(23)

對于雙肢內(nèi)支撐可認為桿件彎矩作用平面外計算長度由l′減小至l′-2l″. 由計算結(jié)果可知，內(nèi)支撐抗壓承載力受結(jié)構(gòu)、力學參數(shù)，支撐自重兩方面因素影響，采用輕集料混凝土作為填充材料可提高內(nèi)支撐抗壓承載力.

2.2.2 圍檁、承托結(jié)構(gòu)和螺栓承載力計算方法

本體系的鋼管混凝土圍檁按文獻[24]計算公式即可得到其截面抗彎承載力設(shè)計值；依據(jù)文獻[25-26]分別計算工字鋼抗彎承載力設(shè)計值，三角架角鋼桿件的拉彎、壓彎承載力設(shè)計值，脹管螺栓鋼材破壞受拉承載力設(shè)計值、圍護樁混凝土椎體受拉承載力設(shè)計值和混凝土抗劈裂破壞承載力設(shè)計值；支撐和圍檁上螺栓均處于拉、剪受力狀態(tài)，依據(jù)文獻[25]計算螺栓該受力狀態(tài)下的承載力設(shè)計值.

3 裝配式鋼管混凝土內(nèi)支撐體系設(shè)計實例

3.1 工程概況及內(nèi)支撐方案

北京地鐵某車站基坑總長222.9 m，分南端盾構(gòu)井、標準段和北端盾構(gòu)井3部分，標準段長170.3 m，寬21.0 m，深18.5 m. 該地鐵車站地層由人工堆積層和第四紀沉積的黏性土、粉土、砂土交互而成，局部見少量碎石土. 車站標準段地下水埋深19 m，地層參數(shù)信息如表1所示.

表1 地層結(jié)構(gòu)及物理參數(shù)

針對標準段采用裝配式鋼管混凝土內(nèi)支撐體系進行支護設(shè)計. 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計采用Ф800@1 000鉆孔灌注樁，嵌固深度9.5 m；共架設(shè)3道鋼管混凝土內(nèi)支撐，距地面高度分別為1.9、9.15、13.7 m. 土壓力較小的首道支撐和第2道支撐采用單肢支撐設(shè)計，土壓力較大的第3道支撐采用雙肢支撐并架設(shè)八字撐，支撐間距均為5.8 m. 支撐構(gòu)件由壁厚8 mm的600 mm×480 mm矩形Q235薄壁鋼管內(nèi)部填充已配制出的具有輕質(zhì)、微膨脹和自密實性能的CL50高強混凝土而構(gòu)成.

3.2 內(nèi)支撐體系設(shè)計計算

采用“理正深基坑7.0”對采用鋼管混凝土內(nèi)支撐體系支護方案的車站基坑標準段變形和穩(wěn)定性進行檢驗. 由表2計算結(jié)果可知，采用設(shè)計的鋼管混凝土內(nèi)支撐進行基坑支護，基坑的整體滑動穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、抗隆起穩(wěn)定性、流土穩(wěn)定性和突涌穩(wěn)定性計算結(jié)果均小于規(guī)范給定的控制值，說明該支撐設(shè)計能滿足基坑安全性要求；地表最大沉降計算值小于規(guī)范規(guī)定的控制值，說明該支撐設(shè)計能滿足基坑變形控制的要求.

表2 理正深基坑7.0單元計算結(jié)果

表3、4分別為鋼管混凝土支撐和圍檁的內(nèi)力及承載能力設(shè)計值計算結(jié)果，可知所設(shè)計的鋼管混凝土支撐和圍檁承載力設(shè)計值均大于各自的最大內(nèi)力值，鋼管混凝土支撐及圍檁設(shè)計滿足設(shè)計要求.

表3 支撐內(nèi)力及承載力計算結(jié)果

表4 圍檁內(nèi)力及承載力計算結(jié)果

Table 4 Calculation results of the internal force and the bearing capacity for the ring-shape purlin

驗算對象道最大彎矩/(kN·m)本文方法理正法承載能力/kN首道193.21791008.8圍檁第2道788.85081008.8第3道281.02681008.8

4 結(jié)論

1) 裝配式鋼管混凝土支撐體系應(yīng)選擇小偏心受壓性能良好的矩形截面鋼管混凝土；采用標準構(gòu)件、短接構(gòu)件和節(jié)點構(gòu)件相配合的裝配化組裝方式；采用單肢和雙肢兩種支撐形式來適應(yīng)土壓力大小變化；采用單跨設(shè)計，將支撐水平間距擴大至6 m左右.

2) 給出基于支撐軸力的圍檁、圍檁螺栓、支撐螺栓的最大內(nèi)力計算方法；推導(dǎo)出鋼管混凝土支撐抗壓承載力設(shè)計計算公式；形成包含內(nèi)支撐體系內(nèi)力和承載力計算的一套完整的內(nèi)支撐體系設(shè)計計算方法.

3) 實例分析結(jié)果表明：提出的內(nèi)支撐體系設(shè)計計算方法與理正軟件計算結(jié)果相近，設(shè)計能滿足地鐵車站基坑支護對支撐體系在性能上的要求.

[1] HAN L H. The influence of concrete compaction on the strength of concrete filled steel tubes[J]. Advances in Structural Engineering-An International Journal, 2001, 57(6): 695-709.

[2] CAMPIONE G, SCIBILIA N. Beam-column behavior of concrete filled steel tubes[J]. Steel and Composite Structure, 2002, 2(4): 259-276.

[3] 李斌, 高春彥. 填充墻對矩形鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響研究[J]. 工程力學, 2010, 27(增刊1): 127-131. LI B, GAO C Y. Seismic performance study of rectangular steel tube concrete filling walls frame structure [J]. Engineering Mechanics, 2010, 27(Suppl 1): 127-131. (in Chinese)

[4] 王廣勇, 李玉梅. 局部火災(zāi)下鋼管混凝土柱-鋼梁平面框架耐火性能[J]. 工程力學, 2013, 30(10): 236-243/263. WANG G Y, LI Y M. Performance of plane frames with concrete filled steel tube columns and steel beams subjected to local fire [J]. Engineering Mechanics, 2013, 30(10): 236-243/263. (in Chinese)

[5] 黃福云, 李建中, 陳寶春, 等. 鋼管混凝土單圓管拱結(jié)構(gòu)振動臺陣試驗研究[J]. 工程力學, 2014, 31(4): 82-92. HUANG F Y, LI J Z, CHEN B C, et al. Shaking tables testing of concrete filled steel tubular arc rib model [J]. Engineering Mechanics, 2014, 31(4): 82-92. (in Chinese)

[6] 高向宇, 陳娟, 周龍壯, 等. 鋼管混凝土Y形柱抗震性能試驗研究[J]. 北京工業(yè)大學學報, 2014, (12): 1810-1819. GAO X Y, CHEN J, ZHOU L Z, et al. Experimental study on the seismic behavior of Y-shape concrete filled steel tubular columns [J]. Journal of Beijing University of Technology, 2014, (12): 1810-1819. (in Chinese)

[7] 詹集明. 預(yù)制裝配式基坑支護體系[J]. 福建建筑, 1996(1): 45-47， 49. ZHAN J M. Prefabricated foundation pit’s bracers system [J]. Fujian Architecture & Construction, 1996(1): 45-47， 49. (in Chinese)

[8] 謝偉, 胡文發(fā). 拼裝式深基坑內(nèi)支撐體系研究[J]. 四川建筑, 2002(1): 55-57. XIE W, HU W F. Study on the assembled inner support of the foundation pit [J]. Sichuan Architecture, 2002(1): 55-57. (in Chinese)

[9] 井國慶, 趙益, 劉啟賓, 等. 一種基坑橫向內(nèi)支撐：CN201220139912. 3[P]. 2012-11-14.

[10] 張明聚, 孫乾坤, 何歡, 等. 一種基坑支護用的方鋼管輕質(zhì)混凝土圍檁: ZL201110456550.0[P]. 2014-07-16.

[11] 張明聚, 杜永驍. 一種基坑支護用的方鋼管混凝土支撐結(jié)構(gòu): ZL201210082210.0[P]. 2014-07-16.

[12] 王祺國. 一種拆除簡便的深基坑支撐施工技術(shù)[J]. 建筑施工, 2013(10): 886-888. WANG Q G. A kind of Convenient construction technology for inner-bracing demolition of deep excavation [J]. Building Construction, 2013(10): 886-888. (in Chinese)

[13] 劉全林, 宋偉民, 趙元一, 等. 一種高剛度整體預(yù)應(yīng)力裝配式基坑支護內(nèi)支撐系統(tǒng): CN103015434A[P]. 2013-04-03.

[14] 魏建華, 劉全林, 宋偉民. 一種工具式鋼管混凝土支撐構(gòu)件: CN203307820U[P]. 2013-11-27.

[15] 錢久軍, 吳佳雄, 張子江, 等. 基坑支護系統(tǒng)的預(yù)制裝配式內(nèi)支撐體系及施工方法: CN104060617A[P]. 2014-09-24.

[16] 周繼忠, 鄭蓮瓊, 莊金平, 等. 一種深基坑支護擋墻鋼管混凝土支撐結(jié)構(gòu): CN203530990U[P]. 2014-04-09.

[17] 王金海, 馬祥春, 李強, 等. 一種組合內(nèi)支撐結(jié)構(gòu): CN203795436U[P]. 2014-08-27.

[18] 王曉楠， 王建良. 深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形研究進展[J]. 科學技術(shù)與工程， 2012， 12(21)：5242-5248. WANG X N， WANG J L. Study on the supporting structure internal force and deformation in deep excavation[J]. Science Technology and Engineering, 2012, 12(21): 5242-5248. (in Chinese)

[19] 郭玉榮， 王兆軍， 鄒銀生. 基坑支護結(jié)構(gòu)的非線性土坑力分析方法[J]. 建筑結(jié)構(gòu)， 2001， 31(10)：39-41, 58. GUO Y R, WANG Z J, ZOU Y S. Method of analyzing force and deformation of retaining structure in excavation[J]. Building Structure, 2001, 31(10): 39-41, 58. (in Chinese)

[20] 李建軍， 韓杰， 梁仁旺， 等. 土抗力法計算深基坑支護樁彎矩及實測分析[J] . 建筑結(jié)構(gòu)， 2010， 40(3)：52-54. LI J J, HANG J, LIANG R W, et al. Soil resistance calculating method of deep foundation pit supporting pile and test analysis[J]. Building Structure, 2010, 40(3): 52-54. (in Chinese)

[21] 張明聚， 司峰軍， 葉新豐， 等. 深基坑圍護混合支撐體系內(nèi)與變形監(jiān)測分析[J]. 北京工業(yè)大學學報， 2010， 36(11)：1496-1503. ZHANG M J, YE F J, YE X F, et al. Analysis on the combined supporting structure interned force and deformation of deep excavation[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2010, 36(11): 1496-1503. (in Chinese)

[22] 張明聚， 李云剛， 李方， 等. 明挖地鐵車站圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐力學參數(shù)研究[J]. 北京工業(yè)大學學報， 2014， 40(10)：1512-1517. ZHANG M J, LI Y G, LI F, et al. Inner support mechanical parameters study of open-cut subway station supporting structure[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2014, 40(10): 1512-1517. (in Chinese)[23] 譚玉博, 劉華新. 歐拉公式在結(jié)構(gòu)構(gòu)造配筋設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 遼寧工程技術(shù)大學學報, 2005, 24(增刊2): 76-78. TAN Y B, LIU H X. The application of column stability formulas in the constructional reinforcement design [J]. Journal of Liaoning Technical University， 2005, 214(Suppl 2): 76-78. (in Chinese)

[24] 中國工程建設(shè)標準化協(xié)會. 矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：CECS 159—2004[S]. 北京：中國計劃出版社， 2004.

[25] 中國工程建設(shè)標準化協(xié)會. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50017—2003[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2003.

[26] 中國工程建設(shè)標準化協(xié)會. 混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程：JGJ145—2004[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2004.

(責任編輯 鄭筱梅)

Design Methods of the Concrete-filled Steel Tube Inner-bracing System for Deep Excavation

ZHANG Mingju1, GUO Xueyuan1, MA Dong2, HUANG Lixin2, WANG Wuxian2

(1.Beijing Collaborative Innovation Center for Metropolitan Transportation, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.China Railway 16th Bureau Group Co., LTD., Beijing 100018, China)

Centered on the characteristics of deep excavation engineering for open-cut subway station projects, a fabricated inner-bracing system of concrete-filled steel tube, which consisted of normal straight components, short components, connection joints, etc., was developed. Based on the features of inner-bracing stress and structure, the internal force calculation formulas were derived from all the components. Referring to the specifications of concrete-filled steel tube and the formulas of column stability, several calculation methods of bearing capacity for the supports and ring-shape purlin were proposed. The mix proportion of filled concrete was designed, and the concrete physical, working and mechanics properties were detected by material tests, and then the lightweight, slight expansion and self-compacting concrete were prepared as the inner-bracing filling material. Taking a deep excavation engineering of a station project in Beijing Subway as a case, the inner-bracing system of normal section foundation pit was designed and studied. The results show that the calculation methods of inner-bracing system design is reasonable and reliable, and the designed inner-bracing system meet the requirements of excavation support force and foundation pit stability.

foundation pit support; concrete-filled steel tube; inner-bracing system; fabricated construction

2016- 04- 15

國家自然科學基金資助項目(51538001)；北京市教育委員會科技計劃資助項目(KZ201410005007)

張明聚(1962―)，男，教授，主要從事地下工程支護結(jié)構(gòu)及風險管理與控制方面的研究，E-mail:zhangmj@bjut.edu.cn

TU 924

A

0254-0037(2016)12-1848-09

10.11936/bjutxb2016040051