張宏亮 , 尤匡飛, 張宏燕

(1. 臺州市交通勘察設(shè)計(jì)院,浙江 臺州 318001；2.河南省地礦局第一地質(zhì)勘查院,河南 鄭州 450001)

近些年來,隨著市區(qū)可利用土地越來越少,城市建設(shè)向開發(fā)地下空間方向傾斜,出現(xiàn)了許多形狀復(fù)雜,占地面積較大,挖土深度較深的基坑工程。有時為有效利用紅線內(nèi)面積,地下室范圍線往往貼近用地紅線布置,造成紅線內(nèi)可作為材料堆場、運(yùn)土通道的場地少?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)為建筑物地下結(jié)構(gòu)部分安全施工提供保障,一般安全度較低,有效使用時間較短,隨著基坑深度的增加,土方開挖方量加大,開挖工期變長,長時間暴露的基坑受周邊荷載的影響,蠕變變形量增大,圍護(hù)結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)加大。為解決上述問題,主要采用設(shè)置棧橋的方法,通過設(shè)置棧橋,可以很好地改善土方運(yùn)輸條件,提高土方開挖外運(yùn)效率,縮短工期,節(jié)約工程造價(jià)[1]。

棧橋主要有鋼棧橋和鋼筋混凝土棧橋,為了加強(qiáng)支撐剛度,節(jié)省造價(jià),一般采用首道支撐與棧橋相結(jié)合的形式布置。此時棧橋上荷載較多,受力較復(fù)雜,目前尚無可靠的分析方法,故設(shè)計(jì)者往往根據(jù)以往的成功經(jīng)驗(yàn)來選取支撐梁截面尺寸和配筋,因而主觀性較大。于是，分析混凝土棧橋上部支撐結(jié)構(gòu)的受力情況,使設(shè)計(jì)模型與真實(shí)情況相符合,才能達(dá)到安全使用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、保證質(zhì)量的設(shè)計(jì)要求。

1 棧橋荷載

混凝土棧橋上部結(jié)構(gòu)一般由棧橋支撐梁和板組成。棧橋荷載的確定是整個棧橋設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[2]。棧橋受到來自于垂直與水平方向的荷載作用。垂直方向荷載主要有兩部分：一部分為棧橋梁板自身的重量和作用在棧橋板上的恒荷載,該荷載受力明確,較好確定；另一部分為作用在棧橋板上的施工活荷載,主要有施工堆載和運(yùn)土車輛動荷載,這部分荷載動態(tài)變化。水平方向荷載主要為作用在棧橋梁上的支撐軸力,該力隨挖土深度增大而增大,一般采用平面有限元法計(jì)算。為挖運(yùn)基坑內(nèi)土方,棧橋主要作為運(yùn)土車的行車通道。

2 荷載簡化為集中力

運(yùn)土車通常有三排車輪,一般考慮運(yùn)土車滿載土方時質(zhì)量為50 t[3],第一排與第二排輪距為4.0 m,第二排與第三排輪距為1.4 m,見圖1。運(yùn)土車寬度一般小于支撐梁橫向跨度,為便于計(jì)算,假定運(yùn)土車荷載為作用于單根支撐梁上的集中力,滿載時第一排荷載為100 kN,第二排和第三排荷載均為200 kN。梁容重為25 kN/m3,計(jì)算時考慮支撐梁自重,恒載的分項(xiàng)系數(shù)取1.2,活載的分項(xiàng)系數(shù)取1.4[3],計(jì)算模型見圖2。

圖2 運(yùn)土車滿載土方時集中力計(jì)算模型

運(yùn)土車在棧橋上行駛時,作用于棧橋上的荷載位置是變化的。在支撐梁跨度一定的情況下,通過分析運(yùn)土車在支撐梁上不同位置處支撐梁的內(nèi)力情況,查找出最大彎矩時運(yùn)土車的所在位置。

運(yùn)土車在支撐梁上的位置以第三排車輪距支撐梁左側(cè)端點(diǎn)的距離(圖1中在支撐梁行進(jìn)距離)表示,假定支撐梁跨度為8.0 m,梁的尺寸為800 mm×1000 mm(h),計(jì)算運(yùn)土車通過整個支撐梁時的最大彎矩變化情況,見圖3。

圖3 運(yùn)土車在支撐梁行進(jìn)時的最大彎矩變化情況

由圖3可以看出,隨著運(yùn)土車在支撐梁上行進(jìn),最大彎矩先變大然后逐漸變小,最大彎矩在420～856 kN·m之間變化,變化幅度達(dá)104%,最大彎矩出現(xiàn)在運(yùn)土車行進(jìn)到支撐梁2.0 m處,此時整輛運(yùn)土車的重心距離支撐梁中點(diǎn)最近。由此可以看出,最不利情況出現(xiàn)在運(yùn)土車重心與支撐梁中點(diǎn)重合時。

3 荷載簡化為分布力

當(dāng)運(yùn)土車荷載為作用于單根支撐梁上的分布力時,分布力q=500/5.4=92.6 kN·m,作用長度為5.4 m,作用區(qū)域見圖4。

圖4 運(yùn)土車滿載土方時分布力計(jì)算模型

此時支撐梁最大彎矩為821 kN·m,較集中力計(jì)算情況減少4%。說明在求支撐梁最大彎矩時,將運(yùn)土車荷載簡化為集中力模型與分布力模型區(qū)別不大,因此可以根據(jù)具體情況自主選擇計(jì)算模型。

4 多輛運(yùn)土車在棧橋上行走

具體施工時,為提高基坑挖土效率,棧橋上不僅僅只有一輛運(yùn)土車,有時有另外一輛運(yùn)土車或挖土機(jī)?？吭谙噜徎蛳喔糁瘟荷?分別建立相鄰與相隔支撐梁情況下的計(jì)算模型,見圖5。

圖5 運(yùn)土車分別在相鄰與相隔支撐梁上的計(jì)算模型

每跨支撐梁上作用荷載及位置同第一跨,經(jīng)計(jì)算得運(yùn)土車在相鄰支撐梁時最大彎矩為954 kN·m,相隔支撐梁時最大彎矩為911 kN·m,分別較棧橋上僅有單輛運(yùn)土車時最大彎矩增長11.4%和6.4%?？梢姉蛏线\(yùn)土車間隔較近時對支撐梁有較大影響。為確保棧橋安全,實(shí)際施工時應(yīng)對棧橋上運(yùn)土車數(shù)量及間距進(jìn)行現(xiàn)場控制,避免出現(xiàn)兩輛運(yùn)土車同時在棧橋上運(yùn)行。

5 支撐梁跨度的選取

運(yùn)土車荷載在豎向平面內(nèi)對支撐梁產(chǎn)生較大的附加彎矩,合理選取支撐梁的跨度對優(yōu)化棧橋設(shè)計(jì)至關(guān)重要。當(dāng)跨度在6.0～12.0 m范圍變化時,支撐梁最大彎矩見圖6。

圖6 支撐梁跨度隨最大彎矩變化情況

由圖6可知，支撐梁跨度與最大彎矩近似成線性關(guān)系,隨著跨度的增長,最大彎矩增長較快。當(dāng)跨度選取較大時,彎矩過大,支撐梁截面及配筋相應(yīng)增加,且跨度過大,棧橋安全度降低。當(dāng)跨度選取較小時,立柱及支撐梁間距過密,造成挖土機(jī)械施工空間過小,影響出土效率。具體跨度的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮,一般情況下對撐棧橋梁跨度不宜大于9.5 m,角撐棧橋梁跨度不宜大于11.0 m。

6 棧橋板設(shè)計(jì)

支撐梁下的棧橋板一般按雙向板設(shè)計(jì),由于運(yùn)土車輪壓的動態(tài)變化,一般將荷載等效為均布荷載分析,根據(jù)蕭彥杰等[4]人的研究,等效荷載與板厚的關(guān)系不大,雙向板跨度在6.0～8.0 m范圍變化時,等效荷載取20.0～30.0 kN/m2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),板厚一般不小于跨度的1/30,取200～350 mm。在運(yùn)土車行進(jìn)過程中,棧橋板與車輪間的作用使得板中的正負(fù)彎矩變化復(fù)雜,為施工方便,同一塊棧橋板厚度取統(tǒng)一值,配筋采用雙向雙排布置。在具體項(xiàng)目上,往往直接考慮支撐梁承受全部的運(yùn)土車荷載和其他施工荷載,而將棧橋板對荷載的分配作為一定程度的安全度提高。

7 工程實(shí)例

溫州某基坑總建設(shè)用地面積21 814 m2,主要由5F農(nóng)貿(mào)市場及其周圍配套設(shè)施組成,并設(shè)地下室2層,地下室建筑面積25 373.3 m2,基坑總延長米約為640 m,挖土深度9.75～10.90 m,基坑呈紡錘形?；尤齻?cè)均為市政道路,一側(cè)分布淺基礎(chǔ)民房,道路靠近基坑側(cè)下部分布較多市政管線,圍護(hù)邊線距離用地紅線最近處僅2.0 m,紅線內(nèi)無可用的施工場地。

場地為海相沉積平原地貌,分布有厚達(dá)20余米的飽和淤泥,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁排樁+二道水平鋼筋混凝土支撐進(jìn)行支護(hù),鉆孔灌注樁外圍布置一排三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕,被動區(qū)采用三軸水泥攪拌樁進(jìn)行加固。土方開挖量達(dá)13萬m3,考慮工期要求,為達(dá)到出土方便及節(jié)省造價(jià)的要求,采用首道支撐梁與棧橋相結(jié)合的形式布置支撐,棧橋平面(陰影區(qū)域)及剖面見圖7。

圖7 棧橋平面布置圖及剖面圖

棧橋橫跨基坑,為九跨連續(xù)梁,棧橋跨度按9.0 m 考慮,等效荷載取30.0 kN/m2,運(yùn)土車荷載取500 kN,棧橋支撐梁考慮支撐軸力的影響,按雙向偏心受壓桿件進(jìn)行設(shè)計(jì),棧橋板厚度取300 mm,棧橋梁及板配筋見圖8。

圖8 棧橋梁及板配筋圖

根據(jù)設(shè)置在立柱樁上的支撐梁沉降觀測點(diǎn)及坑外土體深層沉降觀測點(diǎn)觀測結(jié)果顯示,最大累計(jì)觀測值僅為報(bào)警值的63%與54%,混凝土棧橋運(yùn)行良好,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

8 結(jié) 語

1)通過設(shè)置棧橋,可以提高土方開挖外運(yùn)效率。

2)運(yùn)土車行進(jìn)在支撐梁上最不利情況出現(xiàn)在運(yùn)土車重心與支撐梁中點(diǎn)重合時。

3)運(yùn)土車荷載簡化為集中力模型與分布力模型區(qū)別不大。

4)為確保棧橋安全,應(yīng)避免出現(xiàn)兩輛運(yùn)土車同時運(yùn)行。

5)支撐梁跨度與最大彎矩近似成線性關(guān)系。

6)實(shí)際工程中將棧橋板對荷載的分配作為一定的安全儲備。