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1、擋土結構與基坑工程 木林隆 博士 巖土大樓 820室 65982005 第 6講 內支撐系統(tǒng)的設計與施工 概述 支撐系統(tǒng)的設計 水平支撐的計算方法 換撐設計 支撐結構施工 實例 深基坑工程中的支護結構一般有兩種形式，分別為 圍護墻結合內支撐 系統(tǒng)的形式 和 圍護墻結合錨桿的形式 。內支撐可以直接平衡兩端圍護墻上 所受的側壓力，構造簡單，受力明確。 內支撐系統(tǒng)由 水平支撐 和 豎向支承 兩部分組成，深基坑開挖中采用內 支撐系統(tǒng)的圍護方式已得到廣泛的應用，特別對于軟土地區(qū)基坑面積大、 開挖深度深的情況，內支撐系統(tǒng)由于具有無需占用基坑外側地下空間資源、 可提高

2、整個圍護體系的整體強度和剛度以及可有效控制基坑變形的特點而 得到了大量的應用。 內支撐的概念 概述 內支撐的概念 概述 內支撐體系的組成 概述 圍檁、水平支撐、鋼立柱和立柱樁是內支撐體系的基本構件。 圍檁 水平支撐 立柱 概述 內支撐體系的組成 圍檁 圍檁是協(xié)調支撐和圍護墻結構間受力與變形的重要受力構件 ， 其可加強圍 護墻的整體性 ， 并將其所受的水平力傳遞給支撐構件 ， 因此要求具有較好的自 身剛度和較小的垂直位移 。 首道支撐的圍檁應盡量兼作為圍護墻的圈梁 。 水平支撐 水平支撐是平衡圍護墻外側水平作用力的主要構件 ， 要求傳力直接 、 平 面剛度好而且分

3、布均勻 。 豎向支撐 鋼立柱及立柱樁的作用是保證水平支撐的縱向穩(wěn)定 ， 加強支撐體系的空 間剛度和承受水平支撐傳來的豎向荷載 ， 要求具有較好自身剛度和較小垂直 位移 。 概述 內支撐體系 單層或多層平面支撐體系 平面支撐體系可以直接平衡支撐兩端圍護墻上所收到的側壓力 ， 其構造簡 單 ， 受力明確 ， 使用范圍廣 。 但當支撐長度較大時 ， 應考慮支撐自身的彈性壓 縮以及溫度應力等因素對基坑位移的影響 。 豎向斜撐體系 豎向斜撐體系的作用是將圍護墻所受的水平力通過斜撐傳到基坑中部先澆筑好 的斜撐基礎上 。 對于平面尺寸較大 ， 形狀不很規(guī)則的基坑 ， 采用斜支撐體系施工比 較

4、方便 ， 也可大幅節(jié)省支撐材料 。 但墻體位移受到基坑周邊土坡變形 、 斜撐彈性壓 縮以及斜撐基礎變形等多種因素的影響 ， 在設計計算時應給予合理考慮 。 此外 ， 土 方施工和支撐安裝應保證對稱性 。 支撐材料 概述 支撐材料可以采用 鋼 或 混凝土 ，也可以根據(jù)實際情況采用 鋼和混凝土 組合 的支撐形式。 鋼支撐 鋼結構支撐除了自重輕、安裝和拆除方便、施工速度快以及可以重復使用等 優(yōu)點外，安裝后能立即發(fā)揮支撐作用，對減少由于時間效應而增加的基坑位移， 是十分有效的。 鋼支撐的節(jié)點構造和安裝相對比較復雜，如處理不當，會由于節(jié)點的變形或 節(jié)點傳力的不直接而引起基坑過大的位移。

5、支撐材料 概述 支撐材料可以采用 鋼 或 混凝土 ，也可以根據(jù)實際情況采用 鋼和混凝土 組合 的支撐形式。 鋼支撐 常用 H型鋼支撐表 尺寸 （ mm） 單位重量 （ kg/m） 斷截面 （ cm2） 回轉半徑 （ cm） 截面慣性矩 （ 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

6、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 支撐材料 概述 支撐材料可以采用 鋼 或 混凝土 ，也可以根據(jù)實際情況采用 鋼和混凝土 組合 的支撐形式。 鋼支撐 常用 H型鋼支撐表 尺寸 （ mm） 單位重量 （ kg/m） 斷截面 （ cm2） 回轉半徑 （ cm） 慣性矩 （ cm4） D

7、xt g A fx Ix 609x16 234 298 21 131117 609x12 177 225 21 100309 580 x16 223 283 20 112815 支撐材料 概述 支撐材料可以采用 鋼 或 混凝土 ， 也可以根據(jù)實際情況采用 鋼和混凝土 組合 的支撐形式 。 混凝土支撐 現(xiàn)澆混凝土支撐由于其剛度大 ， 整體性好 ， 可以采取靈活的布置方式適應于 不同形狀的基坑 ， 而且不會因節(jié)點松動而引起基坑的位移 ， 施工質量相對容易得 到保證 ， 所以使用面也較廣 。 但是混凝土支撐在現(xiàn)場需要較長的制作和養(yǎng)護時間 ， 制作后不能立即發(fā)揮支撐作用 ， 需要達到一定的強度

8、后 ， 才能進行其下土方作業(yè) ， 施工周期相對較長 。 同時 ， 混凝土支撐采用爆破方法拆除時 ， 對周圍環(huán)境 （ 包括 震動 、 噪音和城市交通等 ） 也有一定的影響 ， 爆破后的清理工作量也很大 ， 支撐 材料不能重復利用 。 水平支撐系統(tǒng)平面布置原則 支撐系統(tǒng)的設計 支撐系統(tǒng)的設計應包含支撐 材料的選擇、 結構體系的布置、 支撐結構 內力和變形計算、 支撐構件的強度和穩(wěn)定性計算、 支撐構件的節(jié)點設計以 及 支撐結構的安裝和拆除。 基坑工程特點 主體地下結構布置 周邊環(huán)境的保護要求 經(jīng)濟性 水平支撐系統(tǒng)中內支撐與圍檁必須形成穩(wěn)定的結構體系，有可靠的連 接，滿足承載力、變形和

9、穩(wěn)定性要求。 考慮因素 水平支撐系統(tǒng)平面布置原則 支撐系統(tǒng)的設計 長條形基坑工程中，可設置以短邊方向的對撐體系，兩端可設置水平 角撐體系。短邊方向的對撐體系可根據(jù)基坑短邊的長度、土方開挖、工期 等要求采用鋼支撐或者混凝土支撐，兩端的角撐體系從基坑工程的穩(wěn)定性 以及控制變形角度上，宜采用混凝土支撐的形式。 布置形式 水平支撐系統(tǒng)平面布置原則 支撐系統(tǒng)的設計 當基坑周邊緊鄰保護要求較高建 （ 構 ） 筑物 、 地鐵車站或隧道 ， 對基坑工程的變形 控制要求較為嚴格時 ， 或者基坑面積較小 、 兩個方向的平面尺寸大致時 ， 或者基坑形狀 不規(guī)則 ， 其他形式的支撐布置有較大難度時 ，

10、 宜采用相互正交的對撐布置方式 。 該布置型 式的支撐系統(tǒng)具有支撐剛度大 、 傳力直接以 及受力清楚的特點 ， 適合在變形控制要求高 的基坑工程中應用 。 布置形式 水平支撐系統(tǒng)平面布置原則 支撐系統(tǒng)的設計 當基坑面積較大，平面形狀不規(guī)則時，同時在支撐平面中需要留設較大作業(yè)空 間時，宜采用角部設置角撐、長邊設置沿短邊方向的對撐結合邊桁架的支撐體系。 該類型支撐體系由于具有較好的控制變形能力、大面積無支撐的出土作業(yè)面以及可 適應各種形狀的基坑工程，同時由于支撐系統(tǒng)中對撐、各榀對撐之間具有較強的受 力上的獨立性，易于實現(xiàn)土方上的流水化施工，此外還具有較好的經(jīng)濟性。 布置形式 水平支撐系

11、統(tǒng)平面布置原則 支撐系統(tǒng)的設計 基坑平面為規(guī)則的方形 、 圓形或 者平面雖不規(guī)則但基坑兩個方向的平 面尺寸大致相等 ， 或者是為了完全避 讓塔樓框架柱 、 剪力墻等豎向結構以 方便施工 、 加快塔樓施工工期 ， 尤其 是當塔樓豎向結構采用勁性構件時 ， 臨時支撐平面應錯開塔樓豎向結構 ， 以利于塔樓豎向結構的施工 ， 可采用 單圓環(huán)形支撐甚至多圓環(huán)形支撐布置 方式 。 布置形式 水平支撐系統(tǒng)平面布置原則 支撐系統(tǒng)的設計 基坑平面有向坑內折角 （ 陽角 ） 時 ， 陽角處的內力比較復雜 ， 是應力 集中的部分 ， 稍有疏忽 ， 最容易在該部分出現(xiàn)問題 。 陽角的處理應從多方 面進行考

12、慮 ， 首先基坑平面的設計應盡量避免出現(xiàn)陽角 ， 當不可避免時 ， 需作特別的加強 ， 如在陽角的兩個方向上設置支撐點 ， 或者可根據(jù)實際情 況將該位置的支撐桿件設置現(xiàn)澆板 ， 通過增設現(xiàn)澆板增強該區(qū)域的支撐剛 度 ， 控制該位置的變形 。 布置形式 水平支撐系統(tǒng)平面布置原則 支撐系統(tǒng)的設計 支撐結構與主體地下結構的施工期通常是錯開的，為了不影響主體地 下結構的施工，支撐系統(tǒng)平面布置時，支撐軸線應盡量避開主體工程的柱 網(wǎng)軸線，同時，避免出現(xiàn)整根支撐位于結構剪力墻之上的情況，其目的是 減小支撐體系對主體結構施工時的影響。 布置形式 水平支撐系統(tǒng)平面布置原則 支撐系統(tǒng)的設計 支撐桿

13、件相鄰水平距離首先應確保支撐系統(tǒng)整體變形和支撐構件承載 力在要求范圍之內 ， 其次應滿足土方工程的施工要求 。 當支撐系統(tǒng)采用鋼 筋混凝土圍檁時 ， 沿著圍檁方向的支撐點間距不宜大于 9m；采用鋼圍檁時 ， 支撐點間距不宜大于 4m；當相鄰支撐之間的水平距離較大時 ， 應在支撐端 部兩側與圍檁之間設置八字撐 ， 八字撐宜左右對稱 ， 與圍檁的夾角不宜大 于 60 度 。 布置形式 水平支撐系統(tǒng)豎向布置原則 支撐系統(tǒng)的設計 在基坑豎向平面內需要布置的水平支撐的數(shù)量 ， 主要根據(jù)基坑圍護墻的 承載力和變形控制計算確定 ， 同時應滿足土方開挖的施工要求 。 基坑豎向支撐的數(shù)量主要受 土層地

14、質特性 以及 周圍環(huán)境保護要求 的影響 。 布置原則 在豎向平面內 ， 水平支撐的層數(shù)應根據(jù)基坑開挖深度 、 土方工程施工 、 圍護結構 類型及工程經(jīng)驗 ， 有圍護結構的計算工況確定 。 上 、 下各層水平支撐的軸線應盡量布置在同一豎向平面內 ， 主要目的是為了便于 基坑土方的開挖 ， 同時也能保證各層水平支撐共用豎向支承立柱系統(tǒng) 。 此外 ， 相鄰 水平支撐的凈距不宜小于 3m。 各層水平支撐與圍檁的軸線標高應在同一平面上，且設定的各層水平支撐的標高 不得妨礙主體工程施工。 首道水平支撐和圍檁的布置宜盡量與圍護墻結構的頂圈梁相結合。 豎向斜撐的布置 支撐系統(tǒng)的設計 豎向斜撐體

15、系一般較多的應用在開挖深度較小 、 面積巨大的基坑工程中 。 豎向斜撐體系一般由斜撐 、 壓頂圈梁和斜撐基礎等構件組成 ， 斜撐一般投影 長度大于 15m 時應在其中部設置立柱 。 采用豎向斜撐體系的基坑 ， 在基坑中部的土方開挖后和斜撐未形成前 ， 基坑變形取決于圍護墻內側預留的土堤對墻體所提供的被動抗力 ， 因此保持 土堤邊坡的穩(wěn)定至關重要 ， 必須通過計算確定可靠的安全儲備 。 支撐節(jié)點構造 支撐系統(tǒng)的設計 鋼結構支撐構件的拼接應滿足截面等強度的要求。常用的連接方式有 焊 接 和 螺栓連接 。 鋼支撐長度拼接 焊接螺栓連接 ba 支撐節(jié)點構造 支撐系統(tǒng)的設計 兩個方向

16、鋼結構支撐的連接可以采用 重迭連接，十字接頭，井字接頭。 兩個方向鋼支撐連接 支撐節(jié)點構造 支撐系統(tǒng)的設計 鋼支撐的端部，考慮預應力施加的需要，一般均設置為活絡端。一種 為 契型活絡端 、一種為 箱體活絡端。 鋼支撐端部預應力活絡頭 支撐節(jié)點構造 支撐系統(tǒng)的設計 由于圍護墻表面通常不十分平整，尤其是鉆孔灌注樁墻體，為使鋼圍 檁與圍護墻接合得緊密，防止鋼圍檁截面產(chǎn)生扭曲，在鋼圍檁與圍護墻之 間采用細石混凝土填實，如二者之間縫寬較大時，為了防止所填充的混凝 土脫落，縫內宜放置鋼筋網(wǎng)。當支撐與圍檁斜交時，為傳遞沿圍檁方向的 水平分力，在圍檁與圍護墻之間需設置剪力傳遞裝置。對于地下連續(xù)

17、墻可 通過預埋鋼板，對于鉆孔灌注樁可通過鋼圍檁的抗剪焊接件。 鋼支撐與鋼腰梁斜交處抗剪連接節(jié)點 1-鋼支撐； 2-鋼腰梁； 3--圍護墻； 4--剪力塊； 5--填嵌混凝土 支撐節(jié)點構造 支撐系統(tǒng)的設計 圍護墻與混凝土圍檁之間的結合面不考慮傳遞水平剪力。當基坑形狀 比較復雜，支撐采用斜交布置時，特別是當支撐采用大角撐的布置形式時， 由于角撐的數(shù)量多，沿著圍檁長度方向需傳遞十分巨大的水平力，此時如 圍護墻與圍檁之間應設置抗剪件和剪力槽，以確保圍檁與圍護墻能形成整 體連接。 支撐與混凝土腰梁斜交處抗剪連接節(jié)點 1--支撐； 2--腰梁； 3--地下連續(xù)墻 4--預留受剪鋼筋； 5-

18、-預留剪力槽 水平支撐系統(tǒng)計算方法 水平支撐的計算方法 水平支撐系統(tǒng)計算可分為在土壓力 水平力作用下的水平支撐計算 和 豎 向力作用下的水平支撐計算 。 水平力作用下的水平支撐計算方法 支撐平面有限元計算方法 二維桿系有限元 水平支撐系統(tǒng)計算方法 水平支撐的計算方法 水平力作用下的水平支撐計算方法 支撐平面有限元計算方法 計算支撐支座反力 Sl EAK B 2 水平支撐系統(tǒng)計算方法 水平支撐的計算方法 水平力作用下的水平支撐計算方法 支撐平面有限元計算方法 計算支撐系統(tǒng)的變形和內力 水平支撐系統(tǒng)計算方法 水平支撐的計算方法 豎向力作用下的水平支撐計算方法

19、 豎向力作用下，支撐的內力和變形可近似按單跨或多跨梁進行分析，其 計算跨度取相鄰立柱中心距，荷載除了其自重之外還需考慮必要的支撐頂面 如施工人員通道的施工活荷載。 支撐系統(tǒng)設計計算要點 水平支撐的計算方法 豎向力作用下的水平支撐計算方法 支撐承受的豎向荷載 ， 一般只考慮結構自重荷載和支撐頂面的施工活荷載 ， 主要是指施工期間支撐作為施工人員的通道 ， 以及主體地下結構施工時可能 用作混凝土輸送管道的支架 ， 不包括堆放施工材料和運行施工機械等情況 。 圍檁與支撐采用鋼筋混凝土時 ， 構件節(jié)點宜采用整澆剛接 。 采用鋼圍檁時 ， 安裝前應在圍護墻上設置豎向牛腿 。 支撐結構上的主

20、要作用力是由圍護墻傳來的水 、 土壓力和坑外地表荷載所產(chǎn) 生的側壓力 。 對長度超過 40m 的支撐宜考慮 10%左右支撐內力因溫度的變化 影響 。 支撐與圍檁體系中的主撐構件長細比不宜大于 75；聯(lián)系構件的長細比不宜大 于 120。 換撐設計 地下結構施工階段，即基坑開挖至基底之后地下結構的回筑階段，該階段 為不妨礙地下結構的施工，將結合地下結構的施工流程逐層的拆除臨時支撐， 所謂換撐即指在該階段，通過利用回筑的地下結構合理的設置換撐，調整基坑 圍護體的支撐點，實現(xiàn)圍護體應力的安全有序的調整、轉移和再分配，達到各 個階段基坑變形的控制要求。 換撐的設計大體上可分成兩個部分的設計 :

21、一為基坑圍護體與地下結構外墻之間的換撐設計 二為地下結構內部結構開口、后澆帶等水平結構不連續(xù)位置的換撐設計。 圍護體與結構外墻之間的換撐設計 換撐設計 圍護體與基礎底板間換撐 當基坑圍護體采用臨時圍護體時 ， 由于圍護體與結構外墻之間通常會留設 不小于 800mm的施工作業(yè)面 ， 作為地下室外墻外防水的施工操作面 ， 地下結 構施工階段需對該施工空間進行換撐處理 ， 該區(qū)域的換撐標高應分別對應地 下各層結構平面標高 ， 以利于水平力的傳遞 。 圍護體與結構外墻之間的換撐設計 換撐設計 圍護體與地下各層結構間換撐 地下結構的換撐設計 換撐設計 后澆帶位置換撐設計 地下結構

22、由下往上順做施工過程中 ， 將經(jīng)歷臨時支撐的逐 層拆除 ， 圍護體外側的水土壓力將逐步轉移至剛施工完畢的地 下結構上 ， 因此必須進行地下結構的換撐設計 ， 主要是施工后 澆帶 、 樓梯坡道或設備吊裝口等結構開口 、 局部高差 、 錯層較 大等結構不連續(xù)位置的水平傳力設計 。 結構缺失位置的換撐設計 豎向支承的設計 基坑豎向支承系統(tǒng) ， 通常采用鋼立柱插入立柱樁樁基的型式 。 它要求 承受較大的荷載 ， 同時要求斷面不應過大 ， 因此構件必須具備足夠的強度和 剛度 。 鋼立柱必須具備一個具有相應承載能力的基礎 。 根據(jù)支撐荷載的大小 ， 立柱一般可采用 角鋼格構式鋼柱 、 H型鋼柱或鋼管

23、柱 ；立柱樁常采用 灌注樁 ， 也可采用鋼管樁 。 基坑圍護結構立柱樁可以利用主體結構 工程樁 ；在無法 利用工程樁的部位應加設 臨時立柱樁 。 立柱設計 立柱的結構型式 立柱的設計一般應按照軸心受壓構件進行設計計算，立柱的截面尺寸大 小要有一定的限制，同時也應能夠提供足夠的承載能力。 角鋼格構柱、 H 型鋼柱或鋼管混凝土立柱 豎向支承的設計 立柱設計 立柱的設計要點 施工中必須對立柱的定位精度嚴加控制 ， 并應根據(jù)立柱允許偏差按偏心 受壓構件驗算施工偏心的影響 。 一般情況下鋼立柱的垂直度偏差不宜大于 1/200， 立柱長細比應不大于 25。 基坑施工階段 ， 應根據(jù)每一施

24、工工況對立柱進行承載力和穩(wěn)定性驗算 。 立柱的計算要點 鋼立柱的豎向承載能力主要由整體穩(wěn)定性控制 ， 若在柱身局部位置有截 面削弱 ， 必須進行豎向承載的抗壓強度驗算 。 一般截面型式的鋼立柱計算 ， 可按國家標準 鋼結構設計規(guī)范 （ GB 50017-2003） 豎向支承的設計 立柱設計 立柱的設計要點 ）（的抗拉設計強度設計值驗數(shù)據(jù)可近似取混凝土粘結設計強度，如無試 ）；（中間支承柱斷面的周長 ）；鋼立柱的截面面積（ ）；設計值（混凝土的軸心抗壓強度 ；安全系數(shù)，取 ）；插入立柱樁的長度（式中： 2 2 2 / / 5.20.2 mmNf mmL mmA mmNf K mm

25、l L AfN Kl t c c 豎向支承的設計 立柱樁設計 立柱樁的結構型式 立柱樁必須具備較高的承載能力 ， 同時鋼立柱需要與其下 部立柱樁具有可靠的連接 ， 因此各類預制樁難以利用作為立 柱樁基礎 ， 工程中常采 灌注樁 將鋼立柱承擔的豎向荷載傳遞給 地基 ， 另外也有工程采用 鋼管樁 作為立柱樁基礎 ， 但由于造價 高 ， 與立柱連接構造相對更加復雜 ， 且施工工藝難度比較高 ， 因此其應用范圍并不廣泛 。 豎向支承的設計 立柱樁設計 立柱樁的設計要點 豎向支承的設計 豎向支承系統(tǒng)的連接構造 角鋼格構柱與支撐的連接構造 豎向支承的設計 豎向支承系統(tǒng)的連接構造

26、 鋼立柱在底板位置的止水構造 鋼立柱穿越基礎底板范圍將成為地下水往上滲流的通道 ， 為防止地下水上 滲 ， 鋼立柱在底板位置應設置止水構件 ， 通常采用在鋼立柱構件周邊加焊止水 鋼板的型式 。 豎向支承的設計 支撐施工總體原則 支撐結構施工 土方開挖的順序 、 方法必須與設計工況一致 ， 并遵循 “ 先撐后挖 、 限 時支撐 、 分層開挖 、 嚴禁超挖 ” 的原則進行施工 ， 盡量減小基坑無支撐暴露 時間和空間 。 支撐的拆除過程時 ， 必須遵循 “ 先換撐 、 后拆除 ” 的原則進行 施工 。 鋼筋混凝土支撐 根據(jù)施工的先后順序，一般可分為施工測量、鋼筋工程、模板工程以 及混

27、凝土工程，支撐拆除。 支撐結構施工 鋼筋混凝土支撐 圈 梁 腰梁 支 撐 支撐結構施工 鋼筋混凝土支撐 鋼支撐 支撐結構施工 鋼支撐的施工根據(jù)流程安排一般可分為測量定位、起吊、安裝、施加預 應力以及拆撐。 鋼支撐 支撐結構施工 無圍檁體系 螺桿式預應力 液壓式預應力 支撐結構施工 支撐立柱的施工 鋼格構柱一般均在工廠進行制作 ， 首先將工廠里制作好運至現(xiàn)場的分段 鋼立柱在地面拼接成整體 ， 其后根據(jù)單根鋼立柱的長度吊裝至安裝孔口上方 ， 固定后進行立柱樁混凝土的澆筑施工 。 鋼格構柱垂直度至關重要 ， 將直接影響鋼立柱的豎向承載力 。 鋼格構柱 垂直度的控制首先應特別注意提高立柱樁的施工精度 ， 立柱樁根據(jù)不同的種 類 ， 需要采用專門的定位措施或定位器械 ， 其次鋼立柱的施工必須采用采用 專門的定位調垂設備對其進行定位和調垂 。 鋼立柱的調垂方法基本分為氣囊 法 、 機械調垂架法和導向套筒法三大類 。 實例 中國平安金融大廈 實例 中國平安金融大廈