地鐵車站鋼管內(nèi)支撐裝拆過程中相互影響研究

地鐵車站鋼管內(nèi)支撐裝拆過程中相互影響研究

1鋼管內(nèi)支撐相互影響研究樁-支撐結(jié)構(gòu)是地鐵站基礎(chǔ)設(shè)施工程中常見的支撐形式，其中內(nèi)支支持體系統(tǒng)通常由管道支撐[1.4]。鋼管內(nèi)支撐周轉(zhuǎn)使用,安裝和拆除方便,但裝拆過程會(huì)對相鄰支撐產(chǎn)生影響,使相鄰支撐預(yù)應(yīng)力發(fā)生變化,甚至導(dǎo)致鋼管支撐彎曲變形或脫落[5~8]。對于鋼管內(nèi)支撐相互影響研究具有現(xiàn)實(shí)意義。本文對實(shí)例工程中鋼管內(nèi)支撐裝拆過程進(jìn)行全程跟蹤監(jiān)測,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和理論分析,研究裝拆過程中相互影響規(guī)律,為監(jiān)測人員準(zhǔn)確分析基坑安全狀態(tài)提供依據(jù)。2試驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1基坑支護(hù)方案鄭州市軌道交通1號線凱旋路地鐵站位于鄭上路與凱旋路交叉口。車站主體結(jié)構(gòu)為兩層兩跨(局部三跨)矩形框架結(jié)構(gòu),總長414.4m,標(biāo)準(zhǔn)段寬18.9m,采用明挖順作法施工。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+鋼管支撐支護(hù)方式。支護(hù)樁采用Φ1000@1500mm鉆孔灌注樁,樁頂設(shè)冠梁,樁間掛ue7888@150×150mm鋼筋網(wǎng),噴射100mm厚混凝土?；迂Q向設(shè)置三道支撐,東、西端頭井第一道斜撐采用鋼筋混凝土支撐,其余均為鋼管內(nèi)支撐,采用Φ=609mm鋼管,壁厚t=14mm。標(biāo)準(zhǔn)段第一道支撐水平間距6m,第二、三道支撐水平間距3m。2.2支撐預(yù)加軸力車站共設(shè)19個(gè)軸力監(jiān)測斷面,本文以第7斷面的三道支撐(下文稱目標(biāo)支撐)為對稱軸,研究范圍為對稱軸東西兩側(cè)各延伸18m(圖1)。支撐安裝分層進(jìn)行,每層內(nèi)均由東向西依次安裝。相鄰鋼支撐安裝時(shí),在施加預(yù)應(yīng)力前后分別測量第7斷面鋼支撐軸力,兩次軸力差值反映支撐安裝時(shí)相互影響。根據(jù)虛功原理和互等定理,安裝第i道j號支撐對目標(biāo)支撐的影響可等效為安裝目標(biāo)支撐時(shí)對第i道j號支撐軸力的影響。一根支撐通常在20min以內(nèi)安裝完成,可以忽略安裝過程中溫度對支撐軸力的影響。各道支撐預(yù)加軸力值實(shí)測值為:第一道支撐400~600kN,第二道支撐300~500kN,第三道200~400kN。以現(xiàn)場實(shí)測樁體位移、油壓表計(jì)數(shù)為控制,施工時(shí)實(shí)際施加的支撐軸力與設(shè)計(jì)軸力略有偏差。3試驗(yàn)結(jié)果3.1目標(biāo)支撐的影響將安裝每根支撐對(1-04)支撐產(chǎn)生的影響量連成曲線,定義為(1-04)支撐“軸力等效影響線”(如圖2所示)。圖中正值表示軸力增加,負(fù)值表示軸力減小。本文以10kN作為閾值,當(dāng)影響量絕對值大于10kN時(shí),認(rèn)為對目標(biāo)支撐有影響;反之則認(rèn)為影響可以忽略。于是,當(dāng)以目標(biāo)支撐位置為對稱軸時(shí),影響范圍是:第一道支撐左右水平距離0~12m,第二道支撐左右0~9m,以及與目標(biāo)支撐同斷面的第三道支撐(圖3)。根據(jù)虛功原理和互等定理,可以得到下層支撐安裝對第一道支撐的影響范圍,故以下只討論某層支撐安裝對本層及下層支撐的影響范圍。3.2第二道的安裝影響目標(biāo)支撐的施工范圍為:第二道支撐面左右水平距離0~3m(圖4),對第三道支撐無影響。3.3第三通道的安裝安裝第三道鋼支撐對本層其他支撐無影響(見圖5)。3.4拆撐過程監(jiān)測分析結(jié)論本文仍以軸力監(jiān)測第7斷面為研究對象,在斷面附近支撐拆除時(shí)監(jiān)測第7斷面三道支撐軸力的變化。由于卸載過程通常在1h內(nèi)完成,所以不考慮溫度對支撐軸力的影響。通過對拆撐過程的監(jiān)測分析可以得到以下結(jié)論:(1)支撐拆除后,鄰近的支撐軸力通常都增大,且距離越近影響越大。支撐拆卸時(shí)相互影響范圍與支撐安裝時(shí)影響范圍基本吻合,但由于預(yù)應(yīng)力損失,拆卸時(shí)的影響幅度均小于安裝時(shí)。(2)同一斷面的三道支撐,拆除第二道支撐會(huì)使第一道支撐軸力增大,在剛剛卸載完成時(shí),第一道支撐軸力增加量一般小于50kN,但次日軸力值會(huì)比拆卸前增加100~200kN。而第三道支撐拆卸后,第一道和第二道支撐軸力增加量均小于20kN。4相互影響理論的分析4.1基本假設(shè)(1)鉆孔灌注樁、冠梁、鋼圍檁均為彈性桿件;(3)忽略鋼筋網(wǎng)噴混凝土面層剛度;(4)第二道、第三道鋼圍檁無限連續(xù)。4.2超靜定基本模型根據(jù)對地鐵基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件間結(jié)點(diǎn)現(xiàn)場調(diào)查,認(rèn)為排樁—腰梁(冠梁)—內(nèi)支撐在內(nèi)力分析計(jì)算過程中,可以近似采用以下兩種超靜定基本模型。4.2.1下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡支梁AB和懸臂梁CD的抗彎剛度分別為E1I1,E2I2。根據(jù)兩個(gè)梁在C點(diǎn)的撓度相同可求出力P對梁AB和梁CD的分配系數(shù)分別為kAB、kCD:4.2.250.l交叉梁根據(jù)兩根梁在B點(diǎn)的撓度相同,可求出集中力P對懸臂梁AB和懸臂梁BC的分配系數(shù)分別為kAB、kBC:4.3集中力p的影響計(jì)算時(shí)先確定力的傳遞路線,然后選取合適的基本模型計(jì)算出預(yù)應(yīng)力的分配系數(shù),再確定首次分配后的力在節(jié)點(diǎn)間的傳遞系數(shù)。本文規(guī)定:(1)冠梁、樁體、鋼圍檁的抗彎剛度分別為EgIg、EpIp、EbIb;(2)支撐預(yù)加軸力P,樁間距d。Pn為與集中力P相距n個(gè)樁距處節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的力,n=1,2,3,…;(3)集中力P對冠梁、樁體、鋼圍檁的分配系數(shù)分別為kg、kp、kb,分配后力在第一道、第二道、第三道圍檁節(jié)點(diǎn)之間水平方向的傳遞系數(shù)分別為k1、k2、k3;(4)ha為第二道支撐與第二次開挖面的垂直距離,hb為第三道支撐與第三次開挖面的垂直距離;(5)hi為第i次開挖面的高度,hij為第i道和第j道支撐之間的豎向間距,i、j=1,2,3。4.4樁體模量和支撐的能力計(jì)算模型如圖8所示。已安裝支撐結(jié)點(diǎn)處承受的力為(腳標(biāo)從當(dāng)前安裝支撐的相鄰支撐開始,由近及遠(yuǎn),依次為1、2、3……):根據(jù)工程實(shí)際,樁體和冠梁彈性模量取Ep=Eg=2.5×104MPa。慣性矩取Ip=Ig=4.69×10-2m4。開挖深度h1=2.5m,樁間距d=1.5m,支撐預(yù)應(yīng)力取P=500kN。對于裝有鋼支撐的節(jié)點(diǎn),承擔(dān)的力可等效為該點(diǎn)軸力減少量。將計(jì)算值和實(shí)測值對比(如圖9),可以發(fā)現(xiàn):理論計(jì)算的軸力影響范圍和幅度與實(shí)測結(jié)果趨勢相同,但實(shí)測影響范圍和幅度明顯小于計(jì)算結(jié)果,這可能是計(jì)算假定的理想模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異引起的。4.5第二道的安裝計(jì)算模型如圖10所示。4.5.1節(jié)點(diǎn)間力傳遞系數(shù)第一道圍檁上各節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的力為:按實(shí)際情況,取h1=2.5m,h2=6.9m,ha=1m,h12=5.9m。鋼圍檁的彈性模量取Eb=2.0×105MPa,慣性矩Ib=9.62×10-4m4。預(yù)應(yīng)力P=400kN。由于A7兩側(cè)工況不同,節(jié)點(diǎn)間力的傳遞系數(shù)k1也不同,分別計(jì)算出兩側(cè)各節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的分力,并與實(shí)測值對比(如圖11)。通過對比可以看出,計(jì)算值與實(shí)測值整體上比較接近。4.5.2節(jié)點(diǎn)分力模型第二道圍檁上各節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的分力為:根據(jù)實(shí)際情況算出鋼圍檁上各節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的分力并與實(shí)測值對比(如圖12)。通過對比可以看出,計(jì)算值和實(shí)測值總體上比較接近,且計(jì)算值略小于實(shí)測值。4.6第三通道的安裝計(jì)算模型如圖13所示。4.6.1預(yù)應(yīng)力p,h3,hb第三道圍檁上各節(jié)點(diǎn)承擔(dān)分力為:根據(jù)實(shí)際情況取h13=11.2m,h23=5.3m,h3=12.2m,hb=1m,預(yù)應(yīng)力P為300kN。通過對比可以看出,計(jì)算值與實(shí)測值非常接近,影響量均小于10kN,說明第三道支撐之間影響較小。4.6.2同斷面第二道支撐第二道圍檁上各節(jié)點(diǎn)計(jì)算影響量與實(shí)測值對比見圖15。通過對比可以看出,當(dāng)距離大于6m時(shí)計(jì)算值與實(shí)測差距較小,而距離小于6m時(shí)相差較大。分析原因如下:ZL-07-03測點(diǎn)實(shí)測預(yù)加軸力小于200kN,實(shí)際預(yù)應(yīng)力偏小,使其對同斷面第二道支撐的影響小于10kN。而第三道支撐計(jì)算時(shí)預(yù)應(yīng)力取值為300kN,這導(dǎo)致同斷面第三道支撐對第二道支撐影響量實(shí)測值遠(yuǎn)小于計(jì)算值。4.6.3軸力影響范圍和幅度第一道圍檁上各節(jié)點(diǎn)計(jì)算影響量與實(shí)測值對比如圖16。通過對比看出,理論計(jì)算的軸力影響范圍和幅度與實(shí)測結(jié)果趨勢相同,幅度相近,但兩者之間有時(shí)也會(huì)有差異,這可能是計(jì)算假定的理想模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異引起的。5鋼支撐政策對支護(hù)軸力的影響(1)第一道支撐安裝時(shí)影響范圍是:本層左右水平距離0~12m,第二道支撐左右0~9m,第三道支撐左右0~3m。第二道支撐安裝時(shí)影響范圍是同道支撐面左右水平距離0~3m,對第三道支撐無影響。(2)鋼支撐拆卸時(shí)軸力影響范圍與安裝時(shí)大體相同,但由于預(yù)應(yīng)力損失,拆卸時(shí)的影響幅度小于安裝時(shí)。第三道支撐拆卸后,第一道和第二道支撐軸力增加量均小于20kN。在第二道支撐卸載完成時(shí),第一道支撐軸力增加量一般小于50kN,但次日軸力值會(huì)比拆