深基坑工程中大型混凝土棧橋設(shè)計與施工分析
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趙升峰1，黃廣龍2，章 新1，馬世強1，熊彬濤2
（1．南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京210019；2．南京工業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京210009）
[摘要]以南京某基坑工程為背景，對大型混凝土棧橋結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)受力特點、豎向承重結(jié)構(gòu)設(shè)計以及棧橋梁板模板設(shè)計與模板支設(shè)方式、梁板鋼筋施工、棧橋使用要求等若干關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，并對棧橋使用效果進行了評價。
[關(guān)鍵詞]深基坑；棧橋；混凝土；內(nèi)支撐；受力分析；設(shè)計；施工
[中圖分類號]TU473.2 [文章編號]1002-8498(2016)07-0024-04
0 引言
基坑支護體系屬于臨時結(jié)構(gòu)，其安全儲備相對較小，但隨著深大基坑的普遍出現(xiàn)，土方開挖量增大，基坑工期增長，突出了“時間效應(yīng)”現(xiàn)象，給基坑安全帶來較大風(fēng)險。隨著土地價格上漲，土地利用率普遍提高，用地紅線內(nèi)可作為材料堆場、施工通道的場地越來越少，給基坑土方挖運和地下室施工帶來較大困難，因此設(shè)置施工棧橋成為一種必要手段。吳海濤等介紹了某工程施工過程中將首層內(nèi)支撐和棧橋板相結(jié)合布置，作為運輸通道和臨時加工區(qū)使用；黃炳德等對支撐與棧橋結(jié)合設(shè)計的問題提出了相應(yīng)的技術(shù)措施。
通過設(shè)置棧橋，可以很好地改善土方運輸條件，提高土方開挖外運效率，縮短工期，節(jié)約工程造價。基坑規(guī)范僅提及當(dāng)支撐作為施工平臺時，尚應(yīng)考慮施工荷載，但對棧橋支撐體系具體的設(shè)計方案及如何進行受力分析涉及較少，不少巖土工程設(shè)計師根據(jù)經(jīng)驗選取結(jié)構(gòu)截面尺寸和配筋，致使部分工程的棧橋設(shè)計結(jié)果與實際情況嚴(yán)重不符，針對上述缺點，本文系統(tǒng)地分析了棧橋支撐結(jié)構(gòu)梁板的受力情況和關(guān)鍵施工方法，對指導(dǎo)工程的順利實施具有實際意義。
1 混凝土棧橋工程實例
1.1 混凝土棧橋總體設(shè)計
新城科技園物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)園科技創(chuàng)新綜合體B南地塊工程，位于南京市建鄴區(qū)廣聚路和康文路交叉口東南側(cè)，場地三側(cè)為已建道路，東側(cè)為待建道路�；又ёo樁距離用地紅線僅3. 0m，用地紅線便是場地圍墻�；涌偯娣e約29 000m2，總延米約680m，基坑開挖深度10.3~10. 8m，采用鉆孔灌注樁結(jié)合外側(cè)ɸ850@1 200三軸水泥土攪拌樁止水帷幕的支護形式，豎向設(shè)置2道鋼筋混凝土內(nèi)支撐。
基坑?xùn)|西向邊長約220. 0m，南北向約140. 0m，整個基坑土方開挖量約30.5萬m 3。工程進度要求緊，而且工程場地全部使用，無材料堆場和渣土車與混凝土泵車轉(zhuǎn)運和停靠的地方，因此設(shè)計施工棧橋成為必要。首道支撐結(jié)合施工要求，大面積設(shè)置施工棧橋，其具體平面布置如圖1所示。
1.2棧橋結(jié)構(gòu)受力分析
內(nèi)支撐棧橋一般由棧橋梁、板及立柱3部分結(jié)構(gòu)組成。棧橋板結(jié)構(gòu)體系的計算可根據(jù)棧橋布置形式，結(jié)合鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)蓋板計算方法計算；棧橋梁結(jié)構(gòu)的計算，應(yīng)結(jié)合內(nèi)支撐的布置形式及受力情況綜合確定。
棧橋結(jié)構(gòu)體系計算需要考慮的荷載主要有以下3項：①豎向恒荷載 結(jié)構(gòu)梁板自重及作用在棧橋板上的恒荷載；②豎向活荷載 作用在上部棧橋結(jié)構(gòu)板面上的施工活荷載；③水平向支撐荷載 作用在支撐梁上的水平向土壓力（支撐力）。
基坑工程施工過程中，挖機、渣土車以及混凝土泵車直接在施工棧橋上行走和工作。荷載傳遞路徑為：各類施工活荷載以及棧橋板面自重荷載一起傳遞到支撐梁上，由支撐梁傳遞到支撐立柱及立柱樁上。
作為深基坑棧橋的結(jié)構(gòu)體系，其受力比較復(fù)雜。從工程適用的角度出發(fā)，建議把渣土車、挖機、混凝土泵車等不易確定的荷載等效為均布活荷載進行計算。等效均布荷載是為了解決集中荷載和移動荷載的效應(yīng)計算，采用的是效應(yīng)相等的原則，一般適用于棧橋板面構(gòu)件的計算，但是對于棧橋支撐構(gòu)件如主梁、次梁以及內(nèi)支撐豎向承重的鋼立柱，則不應(yīng)直接采用用于棧橋板面計算的等效均布荷載值進行計算，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件使用性質(zhì)及其從屬面積的不同，采用綜合荷載對棧橋支撐構(gòu)件進行計算。其中，從屬面積應(yīng)結(jié)合棧橋具體布置形式按照梁兩側(cè)各B/2梁間距范圍的實際面積確定；棧橋板面?zhèn)鬟f的豎向荷載應(yīng)根據(jù)棧橋板面形狀按照結(jié)構(gòu)設(shè)計理論進行分配。豎向荷載分配模式是根據(jù)樓板傳遞豎向荷載的方式確定的，具體模式如圖2所示。
棧橋支撐梁( ZQL2)除了受豎向自重、橋面?zhèn)鬟f的活荷載等引起的豎向彎曲作用之外，同時受水平方向的土壓力及水平面內(nèi)的彎曲作用。兼作棧橋梁的內(nèi)支撐梁應(yīng)按雙向偏心受壓桿件進行設(shè)計。
本工程棧橋梁結(jié)合內(nèi)支撐布置采用了主梁加十字次梁的布置形式，整個棧橋面積約8 650m2，其中沿支撐軸力作用方向，棧橋梁最大跨度為5. 75m，垂直支撐軸力作用方向棧橋梁跨度為4. 5m，棧橋梁具體截面尺寸和配筋（棧橋支撐梁上下、左右均對稱配筋）如表1所示。
1.3 豎向承重結(jié)構(gòu)設(shè)計
棧橋豎向承重結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，豎向支撐體系的穩(wěn)定是棧橋安全使用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，棧橋立柱可采用角鋼格構(gòu)立柱或鋼管立柱。因角鋼格構(gòu)立柱能承受較大的荷載或較大的偏心荷載，且不影響后期主體結(jié)構(gòu)梁板鋼筋的鋪設(shè)，便于加工，故采用L180×16四肢等肢角鋼格構(gòu)柱，角鋼外側(cè)包焊4塊450×300×12方形鋼板�；又苓叺缆窐�(biāo)高比棧橋板面高0. 9m，需設(shè)計斜坡棧橋，方便車輛行駛。斜坡棧橋采用1：7坡比，其中斜坡段棧橋梁高度根據(jù)現(xiàn)場放樣確定，配筋按照相應(yīng)位置ZQL2和ZQL3配筋間距等間距增加。由于2道支撐豎向間距較大，故采用[ 28c做剪刀撐，每隔1跨設(shè)置。剪刀撐長度和角度根據(jù)現(xiàn)場角鋼格構(gòu)立柱間距放樣確定。
施工階段在施工車輛直接作用或較大荷載的棧橋區(qū)域，角鋼格構(gòu)立柱與混凝土棧橋梁接觸面產(chǎn)生較大的豎向剪力，該剪力由托板傳遞給豎向鋼立板，再傳遞給角鋼格構(gòu)立柱。因此，需要在棧橋梁下鋼立柱上設(shè)置鋼牛腿或者在梁內(nèi)鋼牛腿上焊接抗剪能力較強的槽鋼等構(gòu)件，抗剪構(gòu)件形式如圖4所示。
2棧橋梁板模板設(shè)計與施工
2.1 棧橋梁板支模方式
無棧橋板的支撐梁只考慮支設(shè)梁側(cè)面模板，梁底模利用開挖到設(shè)計標(biāo)高后的土層作為底模，下填100mm厚的碎石壓實后澆筑100mm厚C15混凝土墊層，上鋪油毛氈作為隔離層；有棧橋板區(qū)域的梁、板采用整體搭設(shè)排架的支模形式；土方開挖后由于開挖層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，整體的地基承載力較低，故采用鋪填300mm厚的碎石墊層，上澆150mm厚C25商品混凝土，以確保地基承載力達到設(shè)計要求，然后再進行整體排架的搭設(shè)。
2.2棧橋梁板模板設(shè)計
模板支架搭設(shè)所用材料：采用ɸ48mm×3.0mm腳手架鋼管、直角扣件、對接扣件、旋轉(zhuǎn)扣件、50mm×100mm木方、18mm厚膠合板、與鋼管配套的可調(diào)托座、ɸ14mm穿梁螺栓、U形卡、墊木等。
立桿沿梁跨度方向間距為550mm，立桿步距為800mm，梁底增加的承重立桿采用可調(diào)托座，板底承重立桿橫向間距或排距為1100mm，梁支撐架搭設(shè)高度2200mm，梁兩側(cè)立桿間距1300mm，采用梁底支撐小楞垂直梁截面方向的承重架支撐形式；梁底增加承重立桿為2根，鋼管類型為ɸ48mm×3. 0mm,承重立桿采用單扣件連接方式。棧橋梁板模板支設(shè)方式如圖5所示。
2.3 棧橋梁板鋼筋施工
施工順序：鋼管架起主梁上層鋼筋→畫箍筋間距→按間距放箍筋→穿主梁下層縱筋→穿次梁上層鋼筋→按箍筋間距綁扎主梁箍筋→穿次梁下層縱筋→按次梁箍筋間距綁扎次梁箍筋→抽出鋼管將鋼筋骨架置于模板上，然后進行板鋼筋施工。
受力鋼筋為一級( HPB300)和三級鋼筋( HRB400)，箍筋為一級鋼筋、主筋為三級鋼筋。鋼筋的下料、預(yù)埋件的制作和鋼筋的焊接均在現(xiàn)場進行，配備對焊機、彎曲機、切斷機及電焊機等相應(yīng)設(shè)備。板鋼筋采用搭接接頭，在同一斷面上接頭數(shù)量< 50%，并錯開距離35d（d為鋼筋直徑），且≥500mm。為保證混凝土保護層的厚度，在板底設(shè)網(wǎng)格為1. 0m×1.0m定位混凝土墊塊。梁的受力主筋為ɸ28mm，故采用直螺紋套筒（套筒長70mm，螺距3mm，套筒外徑41mm）連接，接頭不宜位于構(gòu)件最大彎矩處，應(yīng)位于梁上層鋼筋中間1/3區(qū)域。在任一區(qū)段內(nèi)有直螺紋接頭的受力鋼筋截面面積占受力鋼筋總截面面積百分率≤50%。
2.4棧橋使用要求
1)棧橋行車區(qū)荷載≤35kPa，單位施工車輛滿載下≤55t�，F(xiàn)場施工過程中應(yīng)按上述要求嚴(yán)格控制施工棧橋區(qū)域的荷載大小，確保荷載滿足設(shè)計要求，非棧橋區(qū)域嚴(yán)禁作用施工荷載。
2)棧橋梁板混凝土強度等級均為C35，棧橋板厚度為300mm，鋼筋保護層厚度為20mm，板配筋采用ɸ18@ 200( HRB400)雙向雙層。棧橋梁、板強度均達到100%設(shè)計強度后方可使用。
3)土方裝車作業(yè)應(yīng)輕放，盡量減少裝車沖擊。渣土車在棧橋上應(yīng)慢速平穩(wěn)行駛和制動，不應(yīng)出現(xiàn)緊急制動的情況，特別是滿載土方車，行車速度不得超過5 km/h。滿載后遇棧橋面凹凸不平的情況，需處理平整或緩慢駛過，不得強行沖過。汽車式起重機使用支腿工作時，其支腿下須鋪設(shè)路基箱。
4)土方運輸車輛配備和調(diào)度應(yīng)保證能滿足運土不間斷的要求，場內(nèi)車輛行駛應(yīng)有統(tǒng)一規(guī)劃和指揮。在棧橋上的各種挖土、取土設(shè)備在挖土、取土半徑范圍內(nèi)作業(yè)時，操作不應(yīng)過猛，履帶不宜單邊受力，與棧橋邊保持一定的距離。運土車輛在棧橋上行駛時，應(yīng)在棧橋中間行駛，不單邊行駛或停在一側(cè)等待裝土。
5)2臺挖掘機不得在棧橋上同一跨以及相鄰跨作業(yè)，相鄰?fù)谕翙C�？抗ぷ魑恢瞄g距應(yīng)≥15. 0m。避免出現(xiàn)2臺滿載設(shè)備�？吭谕豢缍葍�(nèi)等不利荷載分布情況，且土方車不得在同一跨及相鄰跨停留。
6)棧橋出入口范圍坑外土體應(yīng)采取加固或鋪設(shè)路基箱擴散應(yīng)力等措施。棧橋兩側(cè)安全護欄設(shè)置應(yīng)具備足夠強度以確保施工車輛及人員安全，棧橋路面可根據(jù)車輛運行需要采取防滑措施。
7)施工單位應(yīng)結(jié)合設(shè)計要求編制包括施工車輛荷載及具體運行路線等相關(guān)內(nèi)容的施工方案，施工方案經(jīng)參建各方認(rèn)可后方可實施，管理者應(yīng)嚴(yán)格進行施工現(xiàn)場的監(jiān)督。
3 混凝土棧橋應(yīng)用效果分析
該工程于2013年9月1日開始棧橋及第1道支撐下面的土方開挖，于2014年5月18日土方開挖完畢。在整個基坑土方施工中，采用信息化施工，對棧橋應(yīng)力變化進行了實時監(jiān)測，測點布置如圖1所示。
現(xiàn)場實測的棧橋板應(yīng)力隨時間的變化曲線如圖6所示，棧橋應(yīng)力監(jiān)測采用鋼筋應(yīng)力計。由圖6可知，在整個基坑開挖施工過程中棧橋應(yīng)力均有一定的波動，說明混凝土棧橋結(jié)構(gòu)中應(yīng)力大小不是定值，而是隨著基坑開挖和板面荷載的不同而動態(tài)調(diào)整。從整個監(jiān)測數(shù)據(jù)看，剛開始挖土?xí)r棧橋應(yīng)力最大，這是因為剛開始挖第1道支撐下土方時，棧橋上面運轉(zhuǎn)的機械較多，棧橋使用頻繁導(dǎo)致。隨著向下挖土，支撐底部掏空，棧橋上又不允許停留，運轉(zhuǎn)車輛減少，棧橋應(yīng)力降低。監(jiān)測的應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值，這可能由于棧橋使用較少時，受水平向土壓力作用引起。棧橋鋼筋最大應(yīng)力發(fā)生在ZQ1測點處，為64. 03MPa，小于報警值288MPa，僅為鋼筋自身抗拉強度值的17.8%，因此在進行基坑棧橋設(shè)計時，應(yīng)進一步分析棧橋板面等效荷載的取值大小以及棧橋梁跨度的間距，優(yōu)化棧橋設(shè)計。應(yīng)在保證棧橋穩(wěn)定可靠的前提下，盡量減少浪費。
4 結(jié)語
1)大型基坑工程使用混凝土棧橋進行土方開挖以及地下室基礎(chǔ)底板、樓板、結(jié)構(gòu)梁、柱、墻等混凝土澆筑是解決施工場地狹小的一種有效途徑。
2)混凝土棧橋的計算是基于建筑框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上的，但不完全與建筑樓板、梁一致。當(dāng)前主要問題在于等效荷載的具體取值和棧橋梁板計算的力學(xué)模型選取�；炷翖蛑谓Y(jié)構(gòu)與單純的混凝土內(nèi)支撐的關(guān)鍵區(qū)別在于棧橋受荷載復(fù)雜、計算方法不完善。
3)根據(jù)以往工程經(jīng)驗和已有的文獻資料，總結(jié)了大型混凝土棧橋的承載特性，并結(jié)合具體工程應(yīng)用實例，總結(jié)了該類型支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點、施工方法和施工參數(shù)。
4)案例工程已施工結(jié)束，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，基坑開挖過程中棧橋應(yīng)力變化值均在控制范圍內(nèi)，而且遠小于設(shè)計預(yù)警值。這說明本工程的設(shè)計是成功的，同時本工程也為在場地狹小中的同類深基坑工程的設(shè)計與施工提供了借鑒。
