新型装配式基坑支护结构设计分析
时间：2022-10-21 08:45:50
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摘要：基坑支护结构是一种十分常见的支挡设施，在实际应用中需要结合具体情况选择合适的支护体系。然而十字形装配式基坑支护体系是一种全新的支护设施，具有强度高、成本低等优点。本文针对十字形装配式基坑支护结构展开分析和探索。
随着城市现代化建设快速的发展，很多工程都需要提高自身的设计技术，十字形装配式基坑支护作为一种新型的基坑支护体系，在实际运用中有着很好的技术优势，通过这一技术能够有效的提高施工安全、保证施工质量，此外十字形装配式基坑支护体系还具有低成本、便于施工等优势，因此已经被广泛的应用。
1十字形装配式基坑支护结构
十字形装配式基坑支护是当前较为新颖的支护结构体系，是方形结构支护体系中变化得来，十字形装配式基坑支护在设计上，将横梁与纵向的肋梁以十字形交叉，然后在横梁与肋梁之间设置锚索以及锚杆最终形成更为稳定的复合结构。在十字形装配式基坑支护中主要由复数个预制单元格结构组成，而所有的单元格结构中都是由横梁、纵向肋梁、锚索孔以及配套的连接部件构成。具体单元格的结构如图1。十字形装配式基坑支护在材料方面主要选择钢结材料或者混凝土材料等，由于施工速度快，材料重量轻、便于大批量预制生产，因此更具优势。因此本文将以钢结构材料作为十字形装配式基坑支护的主要应用材料。在实际的工程中会使用数个方管以及钢结构板进行焊接组成支护体系的横梁和纵向肋梁，而单元格结构可以在工厂进行预制，在经过检验之后再直接运输到施工现场进行组装。因此，十字形装配式基坑支护在实际应用中具有很好的稳定性、便于施工，此外还可以适应很多不同土质环境。
2十字形装配式基坑支护单元设计
2.1支护体系的截面设计。参考实际施工的需求，满足单元格结构之间的土质环境中出现土拱现象，通常会进行以下设计：单元截面的高度设置为200mm、截面的宽度设置为800mm，在设计中参考实际施工的经验以及大部分市场材料的规格，单元格结构截面内部的主体框架使用200mm×100mm×10mm型的方管共计4根以及6mm厚钢结构板组合而成。2.2锚索、横梁、纵向肋梁的间距设计。锚索结构在各个国家都有着不同的型号规定，例如，美国的锚索规定其最间距为锚索内部直径的6倍。而日本的锚索其间距设计为1.5m一个。在我国锚索的思间距设计为纵向间距需要大于2.0m，横向间距设计为1.5m以上。同时为了防止锚索由于锚固力太大导致出现应力集中的情况，锚索的间距也不能太大，所以锚索的最大间距一般规定为4m之内。此外，锚索的横向间距与纵向间距需要满足于土拱效果的需求。当前人们通过对土拱现象的实际分析，设计出三维土拱效应计算模型，通过三维土拱计算模型可以建立起锚索横向间距与纵向间距之间的控制数据公式。具体公式为：HB≤4cH12/（1-2tanφ/3tanθ）qcosθ。其中：H是锚索纵向间距；B是锚索的横向间距；c为土体环境的黏聚力；q为拱后土体所受均布推力；H1为单元格结构的宽度；θ为破坏面与主应力作用方向的角度，θ=45°-φ/2，φ为土体环境的内摩擦角度。
3十字形装配式基坑支护优化设计
十字形装配式基坑支护可以根据实际需要进行优化设计，结合支护体系的实际检测结果以及计算所得数据，发现锚索部件的应力一般为600kN，但是在试验中单元格结构受到的应力并不高，远远低于所用钢结构材料的抗压以及抗拉标准。所以锚索应力为600kN的情况下，单元格结构还可以有很多地方待于优化，还有较大提升空间。因此从单元格结构的构成形式、截面大小等方向展开优化，达到十字形装配式基坑支护体系重量更轻、成本更低的目的。3.1单元格结构的组成形式优化。通过对十字形装配式基坑支护进行应力试验得知，单元格结构的表面钢结构板部分的应力变片受到的应变较小，表示应力很大，基本上是不受力。这种情况主要是由于锚索部件可以通过锚具来传递给单元格结构应力，这些应力很大一部分都由方管结构吸收，而上部分表面的钢结构板并没有起到吸收应力的作用，其作用主要是与方管进行连接，大部分应力已经由方管来承担。因此，在十字形装配式基坑支护的优化设计中可以将顶部的钢结构板去掉，一方面，这一部件起到的作用很小，也不会影响十字形装配式基坑支护的质量，另一方面，去掉钢结构板之后，结构整体重量更加轻便，同时也降低了工艺成本，节省一部分材料消耗。其次，在应力试验中发现处于锚索作用位置的上表面钢板结构应力较大，这种情况主要有两点原因，第一是接近锚索作用位置的应变片接近加强板位置，因此受到的应力较为集中，且受力成分较为复杂，进而导致出现应力集中的情况，最终导致部件应力增加。第二由于单元格结构的锚索孔设计直径一般为219mm，这一尺寸远远大于垫板孔的设计尺寸（75mm），也比锚具直径要大（85mm），这种情况导致垫板受到锚具传递来的应力较大，进而会让材料发生形变，使得部件的应力变得更大。因此，在十字形装配式基坑支护的优化设计中可以降低锚索孔的直径尺寸，此外由于圆形钢管在支护结构中主要承担应力作用，需要有足够的材料强度保证在应力作用下不会发生形变，因此在设计上需要保证圆形钢管的厚度至少为10mm，可以选择102mm的圆形钢管，其厚度为10mm。通过对十字形装配式基坑支护进行有效的优化设计，在计算后每个单元格结构的都会节省钢结构材料约55.95kg，参考我国钢结构材料的市场行情，节省成本预计为195元。同时，优化之后的单元格结构受力情况更加科学合理，重量更加轻便，有效的降低施工成本，且便于安装提高了施工效率，每个单元格结构预计节省材料制作时间约2小时。3.2截面大小的优化。单元格结构的主要框架为200mm×100mm×10mm型的方管共计4根，这4根方管是应力的主要承担部分，经过实际计算其最大的拉力和压力可达到35.17MPa，这一数据低于钢结构材料预计的抗拉和抗压强度设计，这种情况说明钢结构材料的强度优势没有真正的发挥出来。因此，需要对单元格结构的主体框架设计进行优化，主要从其截面设计入手，在进行准确的数据计算和实验发现，使用200mm×100mm×6mm型的方管作为主要框架结构完全可以保证质量，下部表面可以使用6mm的钢结构板。单元格结构经过优化之后，每个单元格结构预计节省钢结构材料248.57kg，节省成本约为868.5元。在优化之后的单元格结构重量约为628kg，相比于原有单元格结构重量935kg，重量大大的减轻了，这种新型的支护体系不仅让结构更加合理，提高各个部件的利益率，还有效的降低了材料成本。此外，通过优化设计能够使得单元格结构更加轻便，利于施工，还大大的节省了预制件的制造时间。
综上所述，十字形装配式基坑支护在实际的施工过程中能够发挥很好的支护作用，由于这种支护体系是有横梁与纵向肋梁交叉设计，因此稳定性良好，是一种成本低、易安装、绿色生态的支护方法。在通过试验的数据结果对十字形装配式基坑支护进行合理的优化设计，从单元格结构的形式、材料以及截面等部分进行优化，能够大大的减少材料的实际消耗，不仅能够有效的降低材料的成本，节约施工资金，还有效的提高了支护体系各个部件的利用率，节省大量的预制件制造时间，更加便于施工，提高了施工速度。因此，可以看出十字形装配式基坑支护体系在实际的应用中将发挥更加重要的作用。
参考文献
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作者:秦峰 单位:中建铁路投资建设集团有限公司