半盖挖深基坑混凝土支撑与临时钢立柱节点处受力分析及节点做法改进

陈立新朱智林雷志鹏

湖南省第四工程有限公司

摘要：随着我国城市化进程的加速，城市轨道交通建设正迎来黄金发展期，作为轨道交通路网中的重要建筑物——地铁车站，大部分设置在城市繁荣地段，在建设过程中，为满足施工期间的交通疏解要求，常常采用盖挖的方式。通过对长沙市某地铁站施工过程中出现的混凝土支撑在临时空心钢立柱节点处裂缝的分析，改进节点做法，有效解决了混凝土支撑在临时空心钢立柱节点处开裂及钢立柱的受压变形问题。

关键词：地铁车站；半盖挖；深基坑；混凝土支撑；临时钢立柱；节点；开裂；改进

1车站简介

长沙市某地铁车站为地下三层双柱岛式站台车站，基坑总长260.5m，标准段宽22.8m，基坑深度为28.0~31.5m。车站设有八个出入口、两组风亭。

2支撑设计情况

2.1基坑围护结构设计情况

基坑北侧围护结构为地下连续墙，地下连续墙厚度为1m。

基坑南侧由于周围高层建筑基坑支护锚索侵入车站基坑围护结构，使得原设计地下连续墙无法施工，经研究，将基坑南侧围护结构形式变更为钻孔灌注桩+三重管高压旋喷桩进行桩间止水，钻孔灌注桩直径为,1.2m；旋喷桩直径为,1m。

2.2基坑支撑系统设计情况

该车站基坑支撑采用两道混凝土撑与三道钢支撑，其中第一、三道为混凝土支撑，第二、四、五道为钢支撑（只在1~17轴设有第五道）。

图1第三道支撑平面图

车站采用半盖挖施工工法，基坑北侧设置300mm厚临时混凝土盖板，盖板覆盖基坑260.5m长，8.5m宽，盖板下设置,609mm、厚度16mm的临时空心钢管柱，盖板支承在第一道混凝土支撑及空心钢立柱上。

2.3混凝土支撑与临时钢立柱节点设计情况

混凝土支撑与临时钢立柱节点设计做法如（图2、3）

图3B-B混凝土支撑与临时钢立柱节点配筋图

3节点处混凝土支撑开裂情况及受力分析

3.1节点处混凝土支撑开裂情况

图4-1为临时空心钢立柱与混凝土支撑节点处支撑混凝土的开裂情况，裂缝基本与支撑梁的轴向平行；如图4-2所示为节点处临时空心钢立柱两侧的混凝土被压坏的情况，两侧钢筋受压变形而明显弯曲。

3.2节点处支撑混凝土开裂情况的受力分析

沿基坑共布设了14个监测断面，每个断面布置了桩顶水平位移及沉降点、深层水平位移、支撑轴力、地表沉降、水位点等。在混凝土支撑跨中1/3的位置的主受力钢筋上焊接了钢筋应力计，通过钢筋应力计上的应变读数换算出支撑承受的轴力。表1为第三道混凝土支撑ZC3-2依据连续8次钢筋应力计读数计算的应变值。

表1支撑ZC3-2的应变值

假设混凝土支撑近似为轴心受压构件，且同一截面上钢筋与混凝土的受压变形一致，则混凝土的应变可认为与钢筋应力计上的读数换算的钢筋应变相等，因此支撑承受的轴力为：

5-2临时钢立柱界面受力

图5节点受力分析

图5-1为支撑节点的受力简图，混凝土支撑受到轴向的压力，并传至

3.3临时钢立柱两侧混凝土受压破坏原因分析

根据监测数据，当轴力F=3155.0kN时，裂缝的发展速度加快，裂缝宽度不断增大，临时空心钢立柱产生了较为明显的变形，且临时空心钢立柱两侧的混凝土压碎、钢筋弯曲严重；这时监测轴力降为160.5kN，临时空心钢立柱两侧混凝土的破坏形式与混凝土受压构件破坏基本相符。发生这种情况的原因为：当支撑轴力较小时，由于垂直于支撑的连系梁约束，位于受压核心区的临时空心钢立柱变形基本为0，随着轴力的增大，由于连系梁截面偏小，其约束临时空心钢立柱变形的能力有限，此时临时空心钢立柱逐渐产生变形，当轴力F=3155.0kN时，临时空心钢立柱已经产生较大的变形，钢立柱两侧的混凝土变形远小于钢立柱的变形，使得钢立柱短暂的退出抗压工作，所有轴力由两侧的混凝土与钢筋承担，混凝土压碎，钢筋弯曲。

4节点加固、改进及其效果

依据以上对出现问题的分析，基本掌握了问题出现的原因，于是采取了以下措施：

马上暂停土方继续深挖；2、加强监测；3、依据已分析出的原因，制订加固方案；4、对尚未施工的支撑节点进行修改。

4.1节点加固

根据节点受力分析，节点处开裂主要是由于支撑轴力作用在钢立柱表面产生切向分力，为拉应力，导致节点处混凝土因受拉而产生裂缝。因此，为抵消切向分力，在钢立柱两侧的支撑采用10mm厚的钢板焊制成环箍，在节点四周绑扎双向,12@100的钢筋，支模浇筑高一等级的C35微膨胀细石混凝土加大节点进行加固。具体做法如图。

4.2节点加固后的效果

加固完成后，根据轴力监测，轴力又开始不断的增大，说明加固后的节点已经起作用，在轴力增大至4600KN时，节点加固区开始出现细小裂缝，但直至主体结构封顶，节点处钢立柱两侧混凝土未出现压碎情况，后期支撑轴力也未出现突然消失的情况且稍有增长。说明该加固方法能解决空心钢立柱两侧混凝土被压碎的问题，但不能从根本上解决节点处支撑混凝土开裂问题。

图6节点加固做法

图7节点改进做法

4.3节点改进

在满足原设计功能的情况下，根据第3章的分析，对未施工的节点进行了改进，以消除使混凝土产生开裂的应力。将混凝土支撑往旁边平移600mm（因所有钢立柱早已施工完成），使得混凝土支撑钢筋在节点处不断开，对钢立柱节点进行加腋处理。具体做法如图7。

4.4节点做法改进后的效果

节点做法改进后，轴力达到观测期间最大值时，节点仍完好，未出现裂缝。该做法能有效解决节点处支撑混凝土开裂及空心钢立柱受压变形问题。

5结语

混凝土支撑在临时空心钢立柱节点处开裂问题，通过节点受力分析，改进节点做法，在进行研究加固及节点改进方法时，也考虑了其他方法，比如将钢立柱内灌满混凝土，抵抗空心钢立柱的受压变形，但考虑到临时钢立柱在车站结构完成后需拆除，如将钢立柱内灌满混凝土，后期拆除难度加大很多。节点经加固和改进后，自基坑开挖至主体结构封顶，未出现监测报警情况，基坑围护结构安全稳定；经改进后的节点，未出现开裂情况。