预应力张弦梁支撑的受力性能分析

曾红生

(宁都县住房保障安置服务中心，江西 宁都 342800)

近年来，随着城市建设的发展，深基坑开挖数量也越来越多。内支撑排桩支护结构由于对周边环境适应性强、施工方便以及能够较好的确保基坑的稳定性与安全性，被广泛地应用于深基坑支护工程中[1]。由于传统内支撑的立柱较多，对施工影响较大，采用预应力张弦梁支撑方式对深基坑进行支护，可以有效减少支撑立柱的数量[2]。本文拟对某公共建筑基坑的预应力张弦梁支撑方式进行受力性能分析。将研究结果作为施工依据，也为类似基坑的计算提供参考。

1 工程概况

某基坑(如图1所示)支护设计基坑总面积为1 719 m2，总延长米为176.8 m，基坑深8.6 m，根据场地标高、周边环境及地层情况不同，总体采用灌注桩+钢支撑+高压旋喷桩进行支护。现场地质情况按地层堆积时代、成因、名称分类，场区自上而下依次划分为：粉质黏土素填土、杂填土、耕土、粉质黏土、中砂、淤泥质粉质黏土、粗砂、砾砂、圆砾、强风化泥质粉砂岩、中等风化泥质粉砂岩。基坑设计水位标高为15.00 m。

本工程基坑支护采用预应力钢支撑的支护方式。基坑角部设置钢桁架角撑。钢桁架角撑之间的水平支撑结构采用24 m的预应力张弦梁。该预应力张弦梁采用Q650级钢拉杆作为下弦，与对撑组合成自平衡体系共同抵抗作用在冠梁上的土压力。通过安置在对撑、斜撑和张弦梁腹杆上的千斤顶来调节钢支撑平衡体系的张紧程度而限制支护结构的变形。此支撑系统中钢桁架支撑和预应力张弦梁采用装配式施工，具有快速装卸、循环使用、绿色环保等优点[3]。

2 计算模型

采用有限元软件SAP2000 V21软件进行空间模型分析。

2.1 材料

钢材：Q235B,Q345B，预应力钢棒材料Q650级，其材质应分别符合现行国家标准的有关规定。

焊接材料：手工焊焊条E5015系列，埋弧焊用焊丝F5014-H08MnA气保焊用焊丝ER50-3，其材质应分别符合现行国家标准的有关规定。

2.2 截面信息

张弦梁钢支撑构件截面表、三维空间模型及结构平面布置图见表1，图2，图3。

表1 张弦梁钢支撑构件截面表

2.3 基坑荷载信息

施加预应力如图4所示。土压力荷载分布如图5所示。本工程考虑在使用过程中按升温30 ℃计算温度应力(如图6所示)。

上述工况采用非线性逐级分析，第一工况从零初始应力状态开始，第二工况从第一工况非线性分析终点状态开始，第三工况从第二工况非线性分析终点状态开始。模拟施工全过程如图4～图6所示。

2.4 荷载组合

通过以上施工过程的分析，定义下面几个组合用于分析和验算钢支撑的刚度、强度和稳定性及基坑变形。

组合一：1.20×恒载+1.0×预应力荷载+1.25×土压力+1.4×活载。

组合二：1.20×恒载+1.0×预应力荷载+1.25×土压力+1.0×升温荷载+1.4×活载。

组合三：1.0×恒载+1.0×预应力荷载+1.0×土压力+1.0×活载。

组合四：1.0×恒载+1.0×预应力荷载+1.0×土压力+1.0×升温荷载+1.0×活载。

上述组合中，组合一及组合二用于验算钢支撑的强度和稳定，组合三至组合四用于控制基坑变形。

3 基坑内力位移计算结果

构件编号如图7所示。

3.1 内力

组合一及组合二作用下，钢支撑的构件内力最大值和最小值如表2所示。

表2 钢支撑单元的内力

3.2 位移

本工程以冠梁最大变形位移30 mm为控制值。在冠梁处选取了位移最大的10个控制节点如图8所示，控制节点的位移如表3，表4所示。

表3 组合三冠梁控制节点位移表 mm

表4 组合四冠梁控制节点位移表 mm

各组合工况下冠梁最大位移为第三组合节点，节点号13的位移为27.3 mm<30 mm，满足位移控制要求。

4 基坑设计验算结果

验算结构正常工作状态下构件的强度和稳定应力比，并取相应的包络值如图9所示(结构重要性系数：1.10，需求/能力比例限值：0.95)。

5 结论

本文采用SAP2000 V21较为准确的分析了预应力张弦梁支撑的受力性能，得出以下结论：

1)钢支撑的内力满足规范要求。

2)在预应力张弦梁支撑作用下，基坑的支撑节点的位移小于30 mm，满足位移控制要求。

3)支撑结构正常工作状态下构件的强度和稳定应力比为0.95，满足控制要求。

从结果看，基坑支撑的整体受力水平均满足我国现行的相关规范要求。通过对基坑预应力张弦梁支撑的受力性能分析，为基坑支护的施工提供理论数据，也为同类基坑支护的设计提供参考。