基坑工程梁板式栈桥计算方法研究与应用

刘 飞，徐 坤，刘桂才，李 锋

(1.江苏省第二地质工程勘察院，江苏 徐州 221004； 2.江苏省地矿局第五地质大队，江苏 徐州 221004)

1 概述

随着用地资源的逐渐紧张，城市各类建筑开始向“高、深”方向发展，高层建筑和深基坑的数量越来越大，与此同时，受周边道路、市政管线和临近建筑的制约，基坑工程普遍面临着场地狭小、土方和材料运输通道受限的问题，使得支护体系不仅要满足基坑稳定性和变形方面的要求，还需要通过在支护体系之上设置栈桥承担基坑工程施工阶段的土方外运、车辆通行和临时材料堆放等多重需求，由于行业规范[1]未对支撑结构用作施工平台的设计作出明确要求，不少基坑工程在栈桥体系设计时仍以工程类比法选取结构截面及配筋，缺少针对性及客观分析，致使栈桥体系设计结果与实际施工情况不相符，针对这一情况，本文以基坑支护通常采用的钢筋混凝土梁板式栈桥为研究对象，在归纳已有成果的基础上，简化计算方法，满足设计的合理性和实用性，对后续基坑设计工作具有一定的借鉴意义。

2 工程概况

2.1 栈桥结构组成

梁板式施工栈桥一般由栈桥板、栈桥梁、立柱组成，见图1，有时为了加强支撑能力也在栈桥梁之间设置连系梁，立柱支承在立柱桩之中。立柱通常采用格构式、型钢和钢管混凝土桩，为了增大侧向刚度，也会在立柱间设置水平连杆或剪刀撑。

2.2 项目情况

本项目位于苏州市平江历史街区，地下车库形状不规则。基坑周长约240 m，面积约1 800 m2。基坑开挖深度5.05 m～6.35 m，基坑开挖边线距离用地红线最近约1.0 m～1.8 m，紧挨用地红线，西侧距离未拆迁民宅仅3.5 m，民宅为2层天然基础，东侧、南侧红线外紧挨道路。本工程基坑形状不规则，阳角多，施工面非常狭小。计划在南侧出入口处采用小直径钻孔灌注桩+内支撑进行支护，其余各段采用钢板桩+内支撑进行支护，设一道内支撑，基坑开挖前对周边上部填土压密注浆处理，采用密打垂直向土钉以防上面1 m～2 m的土体流失。在基坑中部设置钢筋混凝土梁板式栈桥，采用格构式立柱，钻孔灌注桩作为立柱桩，栈桥四周为钢管内支撑，栈桥区立柱南北向间距4.5 m～5.2 m，东西向间距7.5 m，具体见图2。

3 栈桥结构计算分析(模型)

3.1 计算条件

通过对比常规施工车辆质量，渣土车(满载质量50 t)和履带式抓斗机(60 t)为控制性荷载。要求避免出现两辆渣土车同时作用于同一跨度内(两辆空车除外)，荷载较大的临时堆载暂不考虑，出土路线以栈桥中柱为界，一侧退入一侧开出。

3.2 受力分析

栈桥结构计算需要考虑的主要荷载由三部分组成[2]：1)竖向恒载，作用在栈桥板上的恒载和梁板柱自重；2)竖向活载，包括作用在栈桥板上的施工机械荷载和人员、管道架设荷载；3)水平向恒载，作用在栈桥梁上的水平向支撑力。栈桥的受力是通过栈桥板、栈桥梁将荷载传至立柱和立柱桩上，其中栈桥梁结构受力比较复杂，竖向受弯、轴向受压，目前还主要是独立进行两个方向的内力计算[3]。

栈桥板上活载具有位置随机性和作用时间较短的特点，给结构设计带来了一定的困难，工程上将集中的、移动的荷载等效为均布荷载确定板上活载可以满足桥板设计精度要求；栈桥梁上承担板恒载按双向板上45°倾斜角分配原则，活载按施工设备直接作用在梁上跨中考虑；竖向支撑的柱、桩按从属面积分配荷载大小并考虑偏心受压。板容重25.00 kN/m3，恒载分项系数γG=1.20，活载分项系数γQ=1.40，活载调整系数γl=1.00。

3.3 结构计算

3.3.1 栈桥板计算

根据朱炳寅等[4-7]的研究，等效均布荷载的确定主要与板跨和集中荷载大小相关，按本工程实际情况同时考虑车辆动力系数，板上均布荷载按35 kPa考虑。计算结果见图3。

栈桥板厚度取300 mm，厚度统一，配筋双层双向布置，根据计算结果并考虑一定的安全度，混凝土强度等级C35，钢筋采用E18@150(E代表HPB400，下同)。

3.3.2 栈桥梁计算

栈桥梁上活载按施工设备直接作用在梁上最不利位置考虑，荷载类型实际为局部均布荷载，简化为集中荷载和线荷载，施工设备尺寸及荷载分配见图4，图5。恒载考虑梁板自重。

根据设定计算条件和现场施工，按不利条件设置4种工况：工况1：履带式抓斗机垂直穿越7.5 m长跨跨中；工况2：履带式抓斗机分布在长跨两侧距离较近；工况3：渣土车垂直穿越7.5 m长跨跨中；工况4：渣土车后轮压荷载纵向分布在短跨跨中，前轮压分布在邻跨，见图6。

计算结果见表1，通过对比可知履带式抓斗机(60 t)为控制性荷载，在长跨两侧距离较近时对梁作用力最大。栈桥梁设计截面宽度700 mm，截面高度900 mm，混凝土强度等级C30，由于截面弯矩较大，上下纵向钢筋双层布设，钢筋采用2×14E25，两侧腰筋采用5E22，箍筋采用4d8@200(d代表HPB300)，满足截面承载力要求。

表1 各工况计算出最大弯矩

由于栈桥梁兼做水平支撑，还需根据水平支反力验算其轴向受压能力，经过对比设计截面满足水平支撑要求。

3.3.3 格构柱与立柱桩

竖向支撑结构为钻孔灌注桩配合内插钢格构立柱，格构柱为4根∟160×16角钢加方形缀板焊接组成，轴力由单根立柱(桩)承担的最大面积等效均布荷载和自重组成，立柱桩设计桩长25 m，其中格构柱按双向偏心压弯构件计算，计算结果见表2。竖向支撑结构强度、稳定性均满足要求。

表2 竖向支撑计算结果图

4 工程应用

栈桥结构立面形式如图7所示，为了保证受力构件的整体强度和稳定性，各部分间的节点设计也至关重要。1)梁板节点处加腋处理，增大截面计算高度，格构柱与栈桥梁节点处设置抗剪钢筋，与栈桥板连接处焊接钢牛腿，提高抗剪能力。2)格构柱之间每跨设置剪刀撑，增大栈桥刚度，减小侧向位移。3)格构柱底端约束设置为固定，所以应保证其与立柱桩纵向主筋焊接，嵌入立柱桩内长度不小于3.3 m。4)栈桥周围钢支撑两端须与围檩和栈桥梁预埋板焊接牢固并施加预应力，施工过程中及时监测、调整，根据变形情况及时补偿。

本工程目前已开挖至坑底标高，在土方施工过程中对栈桥内力、钢支撑轴力和格构柱及坑外地表位移进行监测，根据监测结果，最大弯矩截面处钢筋应力值不足自身抗拉强度值的30%，钢支撑轴力较为稳定，仅有5%左右的轻微损失，格构柱顶最大累计观测值仅为报警值的60%，栈桥结构运行良好，同时也满足了基坑稳定性和变形方面的要求，说明了此种栈桥体系的设计在受力上是合理的。

5 结语

在场地受限条件下，栈桥结构是基坑支护工程的重要组成部分，其受力相对于常规内支撑复杂，在现有的计算条件下尚难以精准的进行设计，本文根据以往工程经验和已有成果，基于常用的梁板式栈桥结构自身特点，归纳出简化的计算方法，实用性较强，案例工程目前已开挖结束，各项监测指标均为正常，对于其他条件下的栈桥设计也有一定的借鉴意义。