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挡土结构与基坑工程 木林隆 博士 岩土大楼 820室 65982005 第 6讲 内支撑系统的设计与施工 概述 支撑系统的设计 水平支撑的计算方法 换撑设计 支撑结构施工 实例 深基坑工程中的支护结构一般有两种形式，分别为 围护墙结合内支撑 系统的形式 和 围护墙结合锚杆的形式 。内支撑可以直接平衡两端围护墙上 所受的侧压力，构造简单，受力明确。 内支撑系统由 水平支撑 和 竖向支承 两部分组成，深基坑开挖中采用内 支撑系统的围护方式已得到广泛的应用，特别对于软土地区基坑面积大、 开挖深度深的情况，内支撑系统由于具有无需占用基坑外侧地下空间资源、 可提高整个围护体系的整体强度和刚度以及可有效控制基坑变形的特点而 得到了大量的应用。 内支撑的概念 概述 内支撑的概念 概述 内支撑体系的组成 概述 围檩、水平支撑、钢立柱和立柱桩是内支撑体系的基本构件。 围檩 水平支撑 立柱 概述 内支撑体系的组成 围檩 围檩是协调支撑和围护墙结构间受力与变形的重要受力构件 ， 其可加强围 护墙的整体性 ， 并将其所受的水平力传递给支撑构件 ， 因此要求具有较好的自 身刚度和较小的垂直位移 。 首道支撑的围檩应尽量兼作为围护墙的圈梁 。 水平支撑 水平支撑是平衡围护墙外侧水平作用力的主要构件 ， 要求传力直接 、 平 面刚度好而且分布均匀 。 竖向支撑 钢立柱及立柱桩的作用是保证水平支撑的纵向稳定 ， 加强支撑体系的空 间刚度和承受水平支撑传来的竖向荷载 ， 要求具有较好自身刚度和较小垂直 位移 。 概述 内支撑体系 单层或多层平面支撑体系 平面支撑体系可以直接平衡支撑两端围护墙上所收到的侧压力 ， 其构造简 单 ， 受力明确 ， 使用范围广 。 但当支撑长度较大时 ， 应考虑支撑自身的弹性压 缩以及温度应力等因素对基坑位移的影响 。 竖向斜撑体系 竖向斜撑体系的作用是将围护墙所受的水平力通过斜撑传到基坑中部先浇筑好 的斜撑基础上 。 对于平面尺寸较大 ， 形状不很规则的基坑 ， 采用斜支撑体系施工比 较方便 ， 也可大幅节省支撑材料 。 但墙体位移受到基坑周边土坡变形 、 斜撑弹性压 缩以及斜撑基础变形等多种因素的影响 ， 在设计计算时应给予合理考虑 。 此外 ， 土 方施工和支撑安装应保证对称性 。 支撑材料 概述 支撑材料可以采用 钢 或 混凝土 ，也可以根据实际情况采用 钢和混凝土 组合 的支撑形式。 钢支撑 钢结构支撑除了自重轻、安装和拆除方便、施工速度快以及可以重复使用等 优点外，安装后能立即发挥支撑作用，对减少由于时间效应而增加的基坑位移， 是十分有效的。 钢支撑的节点构造和安装相对比较复杂，如处理不当，会由于节点的变形或 节点传力的不直接而引起基坑过大的位移。 支撑材料 概述 支撑材料可以采用 钢 或 混凝土 ，也可以根据实际情况采用 钢和混凝土 组合 的支撑形式。 钢支撑 常用 H型钢支撑表 尺寸 （ mm） 单位重量 （ kg/m） 断截面 （ cm2） 回转半径 （ cm） 截面惯性矩 （ cm4） 截面抵抗力 （ cm2） AxBxt1xt2 W A fx fy Ix Iy Wx Wy 800 x300 x14x26 210 267 33 6.62 254000 9930 7290 782 700 x300 x12x14 185 236 29.3 6.78 201000 10800 5760 722 600 x300 x12x20 151 193 24.8 6.85 118000 9020 4020 601 500 x300 x11x18 129 164 20.8 7.03 71400 8120 2930 541 400 x400 x13x21 172 220 17.5 10.2 66900 22400 3340 1120 支撑材料 概述 支撑材料可以采用 钢 或 混凝土 ，也可以根据实际情况采用 钢和混凝土 组合 的支撑形式。 钢支撑 常用 H型钢支撑表 尺寸 （ mm） 单位重量 （ kg/m） 断截面 （ cm2） 回转半径 （ cm） 惯性矩 （ cm4） Dxt g A fx Ix 609x16 234 298 21 131117 609x12 177 225 21 100309 580 x16 223 283 20 112815 支撑材料 概述 支撑材料可以采用 钢 或 混凝土 ， 也可以根据实际情况采用 钢和混凝土 组合 的支撑形式 。 混凝土支撑 现浇混凝土支撑由于其刚度大 ， 整体性好 ， 可以采取灵活的布置方式适应于 不同形状的基坑 ， 而且不会因节点松动而引起基坑的位移 ， 施工质量相对容易得 到保证 ， 所以使用面也较广 。 但是混凝土支撑在现场需要较长的制作和养护时间 ， 制作后不能立即发挥支撑作用 ， 需要达到一定的强度后 ， 才能进行其下土方作业 ， 施工周期相对较长 。 同时 ， 混凝土支撑采用爆破方法拆除时 ， 对周围环境 （ 包括 震动 、 噪音和城市交通等 ） 也有一定的影响 ， 爆破后的清理工作量也很大 ， 支撑 材料不能重复利用 。 水平支撑系统平面布置原则 支撑系统的设计 支撑系统的设计应包含支撑 材料的选择、 结构体系的布置、 支撑结构 内力和变形计算、 支撑构件的强度和稳定性计算、 支撑构件的节点设计以 及 支撑结构的安装和拆除。 基坑工程特点 主体地下结构布置 周边环境的保护要求 经济性 水平支撑系统中内支撑与围檩必须形成稳定的结构体系，有可靠的连 接，满足承载力、变形和稳定性要求。 考虑因素 水平支撑系统平面布置原则 支撑系统的设计 长条形基坑工程中，可设置以短边方向的对撑体系，两端可设置水平 角撑体系。短边方向的对撑体系可根据基坑短边的长度、土方开挖、工期 等要求采用钢支撑或者混凝土支撑，两端的角撑体系从基坑工程的稳定性 以及控制变形角度上，宜采用混凝土支撑的形式。 布置形式 水平支撑系统平面布置原则 支撑系统的设计 当基坑周边紧邻保护要求较高建 （ 构 ） 筑物 、 地铁车站或隧道 ， 对基坑工程的变形 控制要求较为严格时 ， 或者基坑面积较小 、 两个方向的平面尺寸大致时 ， 或者基坑形状 不规则 ， 其他形式的支撑布置有较大难度时 ， 宜采用相互正交的对撑布置方式 。 该布置型 式的支撑系统具有支撑刚度大 、 传力直接以 及受力清楚的特点 ， 适合在变形控制要求高 的基坑工程中应用 。 布置形式 水平支撑系统平面布置原则 支撑系统的设计 当基坑面积较大，平面形状不规则时，同时在支撑平面中需要留设较大作业空 间时，宜采用角部设置角撑、长边设置沿短边方向的对撑结合边桁架的支撑体系。 该类型支撑体系由于具有较好的控制变形能力、大面积无支撑的出土作业面以及可 适应各种形状的基坑工程，同时由于支撑系统中对撑、各榀对撑之间具有较强的受 力上的独立性，易于实现土方上的流水化施工，此外还具有较好的经济性。 布置形式 水平支撑系统平面布置原则 支撑系统的设计 基坑平面为规则的方形 、 圆形或 者平面虽不规则但基坑两个方向的平 面尺寸大致相等 ， 或者是为了完全避 让塔楼框架柱 、 剪力墙等竖向结构以 方便施工 、 加快塔楼施工工期 ， 尤其 是当塔楼竖向结构采用劲性构件时 ， 临时支撑平面应错开塔楼竖向结构 ， 以利于塔楼竖向结构的施工 ， 可采用 单圆环形支撑甚至多圆环形支撑布置 方式 。 布置形式 水平支撑系统平面布置原则 支撑系统的设计 基坑平面有向坑内折角 （ 阳角 ） 时 ， 阳角处的内力比较复杂 ， 是应力 集中的部分 ， 稍有疏忽 ， 最容易在该部分出现问题 。 阳角的处理应从多方 面进行考虑 ， 首先基坑平面的设计应尽量避免出现阳角 ， 当不可避免时 ， 需作特别的加强 ， 如在阳角的两个方向上设置支撑点 ， 或者可根据实际情 况将该位置的支撑杆件设置现浇板 ， 通过增设现浇板增强该区域的支撑刚 度 ， 控制该位置的变形 。 布置形式 水平支撑系统平面布置原则 支撑系统的设计 支撑结构与主体地下结构的施工期通常是错开的，为了不影响主体地 下结构的施工，支撑系统平面布置时，支撑轴线应尽量避开主体工程的柱 网轴线，同时，避免出现整根支撑位于结构剪力墙之上的情况，其目的是 减小支撑体系对主体结构施工时的影响。 布置形式 水平支撑系统平面布置原则 支撑系统的设计 支撑杆件相邻水平距离首先应确保支撑系统整体变形和支撑构件承载 力在要求范围之内 ， 其次应满足土方工程的施工要求 。 当支撑系统采用钢 筋混凝土围檩时 ， 沿着围檩方向的支撑点间距不宜大于 9m；采用钢围檩时 ， 支撑点间距不宜大于 4m；当相邻支撑之间的水平距离较大时 ， 应在支撑端 部两侧与围檩之间设置八字撑 ， 八字撑宜左右对称 ， 与围檩的夹角不宜大 于 60 度 。 布置形式 水平支撑系统竖向布置原则 支撑系统的设计 在基坑竖向平面内需要布置的水平支撑的数量 ， 主要根据基坑围护墙的 承载力和变形控制计算确定 ， 同时应满足土方开挖的施工要求 。 基坑竖向支撑的数量主要受 土层地质特性 以及 周围环境保护要求 的影响 。 布置原则 在竖向平面内 ， 水平支撑的层数应根据基坑开挖深度 、 土方工程施工 、 围护结构 类型及工程经验 ， 有围护结构的计算工况确定 。 上 、 下各层水平支撑的轴线应尽量布置在同一竖向平面内 ， 主要目的是为了便于 基坑土方的开挖 ， 同时也能保证各层水平支撑共用竖向支承立柱系统 。 此外 ， 相邻 水平支撑的净距不宜小于 3m。 各层水平支撑与围檩的轴线标高应在同一平面上，且设定的各层水平支撑的标高 不得妨碍主体工程施工。 首道水平支撑和围檩的布置宜尽量与围护墙结构的顶圈梁相结合。 竖向斜撑的布置 支撑系统的设计 竖向斜撑体系一般较多的应用在开挖深度较小 、 面积巨大的基坑工程中 。 竖向斜撑体系一般由斜撑 、 压顶圈梁和斜撑基础等构件组成 ， 斜撑一般投影 长度大于 15m 时应在其中部设置立柱 。 采用竖向斜撑体系的基坑 ， 在基坑中部的土方开挖后和斜撑未形成前 ， 基坑变形取决于围护墙内侧预留的土堤对墙体所提供的被动抗力 ， 因此保持 土堤边坡的稳定至关重要 ， 必须通过计算确定可靠的安全储备 。 支撑节点构造 支撑系统的设计 钢结构支撑构件的拼接应满足截面等强度的要求。常用的连接方式有 焊 接 和 螺栓连接 。 钢支撑长度拼接 焊接螺栓连接 ba 支撑节点构造 支撑系统的设计 两个方向钢结构支撑的连接可以采用 重迭连接，十字接头，井字接头。 两个方向钢支撑连接 支撑节点构造 支撑系统的设计 钢支撑的端部，考虑预应力施加的需要，一般均设置为活络端。一种 为 契型活络端 、一种为 箱体活络端。 钢支撑端部预应力活络头 支撑节点构造 支撑系统的设计 由于围护墙表面通常不十分平整，尤其是钻孔灌注桩墙体，为使钢围 檩与围护墙接合得紧密，防止钢围檩截面产生扭曲，在钢围檩与围护墙之 间采用细石混凝土填实，如二者之间缝宽较大时，为了防止所填充的混凝 土脱落，缝内宜放置钢筋网。当支撑与围檩斜交时，为传递沿围檩方向的 水平分力，在围檩与围护墙之间需设置剪力传递装置。对于地下连续墙可 通过预埋钢板，对于钻孔灌注桩可通过钢围檩的抗剪焊接件。 钢支撑与钢腰梁斜交处抗剪连接节点 1-钢支撑； 2-钢腰梁； 3-围护墙； 4-剪力块； 5-填嵌混凝土 支撑节点构造 支撑系统的设计 围护墙与混凝土围檩之间的结合面不考虑传递水平剪力。当基坑形状 比较复杂，支撑采用斜交布置时，特别是当支撑采用大角撑的布置形式时， 由于角撑的数量多，沿着围檩长度方向需传递十分巨大的水平力，此时如 围护墙与围檩之间应设置抗剪件和剪力槽，以确保围檩与围护墙能形成整 体连接。 支撑与混凝土腰梁斜交处抗剪连接节点 1-支撑； 2-腰梁； 3-地下连续墙 4-预留受剪钢筋； 5-预留剪力槽 水平支撑系统计算方法 水平支撑的计算方法 水平支撑系统计算可分为在土压力 水平力作用下的水平支撑计算 和 竖 向力作用下的水平支撑计算 。 水平力作用下的水平支撑计算方法 支撑平面有限元计算方法 二维杆系有限元 水平支撑系统计算方法 水平支撑的计算方法 水平力作用下的水平支撑计算方法 支撑平面有限元计算方法 计算支撑支座反力 Sl EAK B 2 水平支撑系统计算方法 水平支撑的计算方法 水平力作用下的水平支撑计算方法 支撑平面有限元计算方法 计算支撑系统的变形和内力 水平支撑系统计算方法 水平支撑的计算方法 竖向力作用下的水平支撑计算方法 竖向力作用下，支撑的内力和变形可近似按单跨或多跨梁进行分析，其 计算跨度取相邻立柱中心距，荷载除了其自重之外还需考虑必要的支撑顶面 如施工人员通道的施工活荷载。 支撑系统设计计算要点 水平支撑的计算方法 竖向力作用下的水平支撑计算方法 支撑承受的竖向荷载 ， 一般只考虑结构自重荷载和支撑顶面的施工活荷载 ， 主要是指施工期间支撑作为施工人员的通道 ， 以及主体地下结构施工时可能 用作混凝土输送管道的支架 ， 不包括堆放施工材料和运行施工机械等情况 。 围檩与支撑采用钢筋混凝土时 ， 构件节点宜采用整浇刚接 。 采用钢围檩时 ， 安装前应在围护墙上设置竖向牛腿 。 支撑结构上的主要作用力是由围护墙传来的水 、 土压力和坑外地表荷载所产 生的侧压力 。 对长度超过 40m 的支撑宜考虑 10%左右支撑内力因温度的变化 影响 。 支撑与围檩体系中的主撑构件长细比不宜大于 75；联系构件的长细比不宜大 于 120。 换撑设计 地下结构施工阶段，即基坑开挖至基底之后地下结构的回筑阶段，该阶段 为不妨碍地下结构的施工，将结合地下结构的施工流程逐层的拆除临时支撑， 所谓换撑即指在该阶段，通过利用回筑的地下结构合理的设置换撑，调整基坑 围护体的支撑点，实现围护体应力的安全有序的调整、转移和再分配，达到各 个阶段基坑变形的控制要求。 换撑的设计大体上可分成两个部分的设计 : 一为基坑围护体与地下结构外墙之间的换撑设计 二为地下结构内部结构开口、后浇带等水平结构不连续位置的换撑设计。 围护体与结构外墙之间的换撑设计 换撑设计 围护体与基础底板间换撑 当基坑围护体采用临时围护体时 ， 由于围护体与结构外墙之间通常会留设 不小于 800mm的施工作业面 ， 作为地下室外墙外防水的施工操作面 ， 地下结 构施工阶段需对该施工空间进行换撑处理 ， 该区域的换撑标高应分别对应地 下各层结构平面标高 ， 以利于水平力的传递 。 围护体与结构外墙之间的换撑设计 换撑设计 围护体与地下各层结构间换撑 地下结构的换撑设计 换撑设计 后浇带位置换撑设计 地下结构由下往上顺做施工过程中 ， 将经历临时支撑的逐 层拆除 ， 围护体外侧的水土压力将逐步转移至刚施工完毕的地 下结构上 ， 因此必须进行地下结构的换撑设计 ， 主要是施工后 浇带 、 楼梯坡道或设备吊装口等结构开口 、 局部高差 、 错层较 大等结构不连续位置的水平传力设计 。 结构缺失位置的换撑设计 竖向支承的设计 基坑竖向支承系统 ， 通常采用钢立柱插入立柱桩桩基的型式 。 它要求 承受较大的荷载 ， 同时要求断面不应过大 ， 因此构件必须具备足够的强度和 刚度 。 钢立柱必须具备一个具有相应承载能力的基础 。 根据支撑荷载的大小 ， 立柱一般可采用 角钢格构式钢柱 、 H型钢柱或钢管柱 ；立柱桩常采用 灌注桩 ， 也可采用钢管桩 。 基坑围护结构立柱桩可以利用主体结构 工程桩 ；在无法 利用工程桩的部位应加设 临时立柱桩 。 立柱设计 立柱的结构型式 立柱的设计一般应按照轴心受压构件进行设计计算，立柱的截面尺寸大 小要有一定的限制，同时也应能够提供足够的承载能力。 角钢格构柱、 H 型钢柱或钢管混凝土立柱 竖向支承的设计 立柱设计 立柱的设计要点 施工中必须对立柱的定位精度严加控制 ， 并应根据立柱允许偏差按偏心 受压构件验算施工偏心的影响 。 一般情况下钢立柱的垂直度偏差不宜大于 1/200， 立柱长细比应不大于 25。 基坑施工阶段 ， 应根据每一施工工况对立柱进行承载力和稳定性验算 。 立柱的计算要点 钢立柱的竖向承载能力主要由整体稳定性控制 ， 若在柱身局部位置有截 面削弱 ， 必须进行竖向承载的抗压强度验算 。 一般截面型式的钢立柱计算 ， 可按国家标准 钢结构设计规范 （ GB 50017-2003） 竖向支承的设计 立柱设计 立柱的设计要点 ）（的抗拉设计强度设计值验数据可近似取混凝土粘结设计强度，如无试 ）；（中间支承柱断面的周长 ）；钢立柱的截面面积（ ）；设计值（混凝土的轴心抗压强度 ；安全系数，取 ）；插入立柱桩的长度（式中： 2 2 2 / / 5.20.2 mmNf mmL mmA mmNf K mml L AfN Kl t c c 竖向支承的设计 立柱桩设计 立柱桩的结构型式 立柱桩必须具备较高的承载能力 ， 同时钢立柱需要与其下 部立柱桩具有可靠的连接 ， 因此各类预制桩难以利用作为立 柱桩基础 ， 工程中常采 灌注桩 将钢立柱承担的竖向荷载传递给 地基 ， 另外也有工程采用 钢管桩 作为立柱桩基础 ， 但由于造价 高 ， 与立柱连接构造相对更加复杂 ， 且施工工艺难度比较高 ， 因此其应用范围并不广泛 。 竖向支承的设计 立柱桩设计 立柱桩的设计要点 竖向支承的设计 竖向支承系统的连接构造 角钢格构柱与支撑的连接构造 竖向支承的设计 竖向支承系统的连接构造 钢立柱在底板位置的止水构造 钢立柱穿越基础底板范围将成为地下水往上渗流的通道 ， 为防止地下水上 渗 ， 钢立柱在底板位置应设置止水构件 ， 通常采用在钢立柱构件周边加焊止水 钢板的型式 。 竖向支承的设计 支撑施工总体原则 支撑结构施工 土方开挖的顺序 、 方法必须与设计工况一致 ， 并遵循 “ 先撑后挖 、 限 时支撑 、 分层开挖 、 严禁超挖 ” 的原则进行施工 ， 尽量减小基坑无支撑暴露 时间和空间 。 支撑的拆除过程时 ， 必须遵循 “ 先换撑 、 后拆除 ” 的原则进行 施工 。 钢筋混凝土支撑 根据施工的先后顺序，一般可分为施工测量、钢筋工程、模板工程以 及混凝土工程，支撑拆除。 支撑结构施工 钢筋混凝土支撑 圈 梁 腰梁 支 撑 支撑结构施工 钢筋混凝土支撑 钢支撑 支撑结构施工 钢支撑的施工根据流程安排一般可分为测量定位、起吊、安装、施加预 应力以及拆撑。 钢支撑 支撑结构施工 无围檩体系 螺杆式预应力 液压式预应力 支撑结构施工 支撑立柱的施工 钢格构柱一般均在工厂进行制作 ， 首先将工厂里制作好运至现场的分段 钢立柱在地面拼接成整体 ， 其后根据单根钢立柱的长度吊装至安装孔口上方 ， 固定后进行立柱桩混凝土的浇筑施工 。 钢格构柱垂直度至关重要 ， 将直接影响钢立柱的竖向承载力 。 钢格构柱 垂直度的控制首先应特别注意提高立柱桩的施工精度 ， 立柱桩根据不同的种 类 ， 需要采用专门的定位措施或定位器械 ， 其次钢立柱的施工必须采用采用 专门的定位调垂设备对其进行定位和调垂 。 钢立柱的调垂方法基本分为气囊 法 、 机械调垂架法和导向套筒法三大类 。 实例 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