深基坑内支撑格构立柱设计计算

第２７卷第６期　２０１３年１２月　资源环境与工程　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ＆Ｅ　ｎｅｅｆｉｎ￣　Ｄｅｃ．，２０１３　深基坑内支撑格构立柱设计计算　黄海翔　，吴礼生　，程华仁　（１．湖北省第四地质大队，湖北成宁４３７１００；２．湖北地矿建设工程承包集团有限公司，湖北武汉４３００７２）　摘要：深基坑内支撑格构立柱是极其重要的构件，其结构的稳定性决定内支撑体系的整体安全。按照钢　结构设计的要求，详细介绍设计计算步骤及相关公式的应用，并进行实例设计，其方法可供相关技术人员　借鉴。　关键词：深基坑；格构立柱；分肢；缀板；抗压强度；抗剪强度　中图分类号：ＴＵ４７３．２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—１２１１（２０１３）０６－０７６５—０４　０　引言　在深基坑支护设计过程中，因涉及支护体系不得　超越建筑红线的规定，内支撑结构越来越得到广泛的　应用。在内支撑结构中，立柱是必不可少的。为了便　（Ｎ／ｍｍ　）；　——轴心受压杆件和稳定系数，受拉时　＝１。　上式中，需要确定的轴心受压杆件和稳定系数　，　该值与支撑立柱的细长比Ａ、立柱的截面类型和立柱　型钢的屈服强度．　等参数有关。在未确定格构立柱的　结构之前，可以先假定一个Ａ值，Ａ值要求不得超过　１５０，可取２０～３０。立柱的截面类型可查《钢结构设计　于主体建筑施工钢筋的绑扎，常采用由四根角钢拼焊　而成的格构式立柱。格构立柱对于保持内支撑结构的　稳定起着至关重要的作用，如果某根格构立柱失稳，就　规范》（ＧＢ５００１７－－２００３）（以下简称《规范》）表５．１．２－１，格　构立柱截面类型：对　轴为ｂ类，对Ｙ轴为ｂ类。型钢　有可能造成整个内支撑体系的失稳，后果相当严重，因　此格构立柱的设计是内支撑结构设计的重中之重。　的屈服强度．厂ｖ见《规范》说明的第３．４．１条。确定以　上参数后，查《规范》附录Ｃ表得到　值　。　如果格构立柱为受拉构件只需按（１）校核即可。　１．３计算分肢（角钢）对虚轴的长细比Ａ　所谓虚轴就是格构柱缀材的对称轴。缀材分缀条　１设计步骤和方法　１．１立柱轴力的确定　立柱的轴力按照湖北省地方标准《基坑工程技术　规程》（ＤＢ４２／Ｔ１５９—２０１２）公式（６．９．１３—１—１ａ）～　和缀板两类，缀条是角钢，缀板是钢板。对用于基坑内　（６．９．１３）确定　１］，即主要由水平支撑杆件的自重和杆　支撑立柱，为了增大格构柱的截面积和减小立柱下支　件所承受的压（拉）力所决定。需要理解的是（６．９．１３　撑桩的直径，一般选择缀板。　１—２）式，该式中由各道支撑中汇交于该立柱的最大　角钢的断面及对称轴格如图１所示，通过相关资　—水平支撑力决定，这是一个保守的设计方法，其实应该　是汇交于该支撑点的合力，这个合力肯定小于最大水　平支撑力。这主要是岩土工程计算结果的不确定性，　料可查到不同规格角钢的截面面积、对称轴线的截面　抵抗矩和截面回转半径。这些数据是确定格构柱宽度　的重要已知参数。　用最大水平支撑力代替合力是可靠的。　１．２初步确定型钢规格　立柱支撑力确定后，可根据下式初步确定型钢规格：　Ａ＝　。，　（１）　式中：４——立柱型钢的截面积（ｍｍ　）；　立柱支　图１　角钢的断面及对称轴格　Ｆｉｇ．１　Ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎｇｌｅ　ｓｔｅｅｌ　ａｎｄ　ａｘｉｓ　ｏｆ　ｓｙｍｍｅｔｒｙ　撑力（Ｎ）；．产－＿型钢的抗压（拉）强度设计值　收稿日期：２０１３—０７—０１；改回日期：２０１３—０９一ｌ２　作者简介：黄海翔（１９５９一），男，高级工程师，勘探掘进专业，从事岩土工程施工、地质灾害防治工程等。Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｈａｉｘｉａｎｇ６００＠　１６３．ｃｏｎｌ　资源环境与工程　２０１３正　构立柱断面如图２所示，立面如图３所示。　图２　由角钢组成的格构柱断面图　Ｆｉｇ．２　Ｓｅｃｔｉｏｎａｌ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｏｆ　ｌａｔｔｉｃｅ　ｃｏｌｕｍｎｓ　图３　由角钢组成的格构柱立面图　Ｆｉｇ．３　Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｏｆ　ｌａｔｔｉｃｅ　ｃｏｌｕｍｎｓ　如图２所示，格构立柱断面一般为正方形，对于由　角钢组成的格构立柱，　—　轴和Ｙ－Ｙ轴都是虚轴，计算　结果是一样的。下面我们以　—　虚轴计算分肢（角　钢）对虚轴的长细比Ａ　。　所有分肢对　轴的截面惯性矩　：　ｋ　，　＝４［，　＋ｓ（詈一Ｚｏ）二　　］　（２）　式中：，　——所有分肢对Ｘ—Ｘ轴的截面惯性矩（ｃｍ　）；　，　——单个分肢对　一　轴（图１）的截面惯性矩　（ｃｍ　）；ｓ——单个分肢截面面积（ｔｉｎ　）；６——格构立　柱的截面宽度（ｃｍ）；Ｚ。——角钢外边缘与　一　，轴　（图１）间的距离（ｃｍ）。　上式中，除格构立柱的截面宽度ｂ需要先假定一　个数值外，其他数据在角钢规格确定以后都可以查表　求得。　所有分肢对　—　轴的回转半径ｉ　：　（３）　上式中符号见式（２）。　所有分肢对　轴的长细比Ａ　：　Ａ　＝　Ｌ０　（４）　式中：Ｌｎ——立柱的有效计算长度（ｃｍ）。对于单道支　撑为立柱的高度与轴心受压构件的计算长度系数的乘　积；对于多道支撑为支撑间的最大间距与轴心受压构　件的计算长度系数的乘积。轴心受压构件的计算长度　系数与受压构件两端的约束条件有关，可查相关资料。对　于单道支撑，轴心受压构件的计算长度系数可取１．２。　计算的Ａ　要求不得大于１５０，由此可确定格构立　柱的截面宽度ｂ是否合适。　１．４计算分肢（角钢）对最小刚度轴的长细比　分肢（角钢）的最小刚度轴为ｌ，　一Ｙ１（如图１所　示），分肢（角钢）对最小刚度轴的长细比　：　Ｌ２　ｋｔ：＿（５）　式中：　——分肢（角钢）对最小刚度轴ｌ，　一ｙ１的回转　半径（ｃｍ）；Ｌ　——两缀板间的净间距（ｃｍ），见图３。　Ｌ　的确定是格构设计中的一个步骤，其对格构的换算　长细比　。　有直接影响，应带入不同间距值验算，取合　理值。　当缀件为缀板时，入。不应＞４０，并不应大于　的　０．５倍（当　＜５０时，取　…＝５０）。　１．５计算格构立柱对虚轴的换算长细比入　０　＝￣／　＋入　（６）　式（６）确定的长细比　。　就是格构柱的换算长细比，不　仅要满足不大于１５０的要求，同时要用此实际长细比　。　再按式（１）反算所选择的是否满足要求，如果不满　足要求，则应增大分肢（角钢）型号，重新按上述步骤　进行设计计算，直至满足设计要求。　１．６确定缀板的宽度ｂ　和厚度ｔ　缀板的宽度ｂ　：　，’　ｂ　≥÷６ｏ　（７）　Ｊ　式中：６。——格构立柱截面的有效宽度，ｂ。＝ｂ一２Ｚ。。　缀板的厚度ｔ　：　１　－≥　。　（８）　并且要求ｔ　不得小于６　ｍｍ。　另外，缀板柱在同一截面处缀板的线刚度，　／６。　（缀板截面惯性矩，　和ｂ。之比值）之和不得小于分肢　线刚度，　／Ｌ　（分肢截面对最小刚度轴Ｙ１一　的惯性矩　第６期　黄海翔等：深基坑内支撑格构立柱设计计算　７６７　和缀板问的轴距Ｌ。＝（Ｌ　＋　６　）之比值）的６倍　。　缀板截面惯性矩　：　根据式（５）求得缀板最大间距　为７００　ｍｍ，取　：为　５００　ｍｉＤ＿。　根据式（６），计算格构立柱对虚轴的换算长细比　　＝６０＜１５０，满足设计要求。　（９）　入。根据　＝６０，查得　：０．８０７，依据式（１）得：　＝　８０．６８　ｅｍ。＜１１５６４　ｃｍ。满足要求。　．Ｉｂ＝１－￣ｔｌ６　１．７缀板连接焊缝设计　缀板面剪力：　＝，根据式（７），求得缀板宽度ｂ。为２３３　ｍｍ，取２４０　号（别　）　（１０）　ｍｍ０　缀件剪力：　Ｖ１Ｌ１　（１１）　：　缀件弯矩：　：华　（１２）　采用角焊缝，三面围焊，计算时偏安全地仅考虑竖　直焊缝，但不扣除考虑缺陷的１０　ｍｍ，角焊缝的焊脚尺　寸　，取值：当缀板厚度ｔ　≤６　ｍｍ时，取缀板厚度　；当　缀板厚度ｔ　＞６　ｍｍ时，取缀板厚度ｔ　一（１～２）ｅｍ。　焊缝的有效面积：　Ａｉ＝Ｏ．７　ｂｌ　（１３）　焊缝的截面抵抗矩：　＝吉×０・７　ｂｌ　２ｈｓ　（１４）　在　和　的共同作用下，要求：　√ｃ　＋ｃ　，　式中　——角焊缝的抗剪强度设计值（Ｎ／ｍｍ　）。　２计算实例　某深基坑采用一道内支撑，计算得立柱轴力（压　力）设计值为１　４００　ｋＮ，内支撑距基坑底８．５　ｍ，设计　格构立柱。　选择热轧普通角钢，焊条型号Ｅ４３型，材质Ｑ２３５，　厚度＜１６　ｍｍ，其抗压强度设计值．厂为２１５　Ｎ／ｍｍ　，其　屈服强度．　＝１．０８７ｆ＝２３４　Ｎ／ｒａｍ　，入取３５，计算并查　表得　＝０．９１８，根据式（１）求得分肢总面积Ａ＝　７０．９３　ｅｍ。，选择４根Ｌ１２５×１２的角钢，其总面积为　１１５．６４　ｅｒｌｌ　，满足要求。　初步确定格构立柱宽度ｂ为４２０　ｍｍ，立柱的有效　长度Ｌ０＝１．２×８　５００＝１０　２００　ｍｍ，Ｉｘ１＝４２３．２　ｅｍ　，Ｓ＝　２８．９１　ｅｍ　，Ｚ　＝３．５３　ｅｍ，根据式（２）～（４）求得：　＝　５７＜１５０，满足设计要求。　取０．５ｋ　为２８．５且不大于４０，查表ｉ。＝２．４６，　根据式（８），求得缀板厚度　为９．２　ｍｍ，取１０　ｍｍ　在同一截面处缀板的线刚度之和：　４（　）４（　ｘ１×２４３）　分肢线刚度：　＝而１７４．８　８：２．４１　ｃｍ３　，５０＋２４……一　故同一截面处缀板的线刚度之和与分肢线刚度之　比为４４＞６，满足设计要求。　由式（１０）求得缀板面剪力Ｖ　＝１４　６２５　Ｎ，由式　（１１）求得缀件剪力　＝２４　５４７　Ｎ，由式（１２）求得缀件　弯矩　＝４５３　３７７　Ｎ・ｅｍ，焊缝的有效面积４，＝０．７×　１×２４＝１６．８（３ｍ　。　焊缝的截面抵抗矩：　１＝　×０．７×１×２４　＝６７．２　ｃｍ３　根据式（１５），得：　＾√／　１（　旦　）　＋（　）　：５７．２．２２×６７．２×１０　、１６．８×１０　　Ｎ／ｍｍ。＜１６０　Ｎ／ｍｍ　焊条型号ＦＡ３型　为１６０　Ｎ／ｍｍ　，满足设计要求。　通过以上计算，确定格构立柱分肢角钢规格为　Ｌ１２５×１２的角钢，格构立柱宽度为４２０　ｒａｉｎ，缀板宽度为　２４０　ｍｉｌｌ，缀板厚度为１０　ｍｍ，缀板净间距为５００　ｍｌＴｌ。　３结语　通过对以上设计计算过程的分析，格构柱分肢的　规格取决于格构柱所承受的荷载及分肢截面抗压　（拉）强度，格构柱缀板的长、宽、厚和间距取决于格构　柱的宽度，把握这两点基本上确定了格构柱的结构。　以上分析过程中不难看出，规范规定“缀板柱在同　一截面处缀板的线刚度之和不得小于分肢线刚度的６　倍”，也就是旨在选择缀板间距时，应在满足按Ａ　ｉ　要　求的最大间距内，选取稍大一些的间距，同时尽量选取　７６８　资源环境与工程　２０１３丘　大一点的缀板沿柱的纵向宽度，用来保证分肢稳定高　于格构柱的整体稳定。　当然，焊缝验算是必备的。缀板的间距主要还是　以控制分肢的长细比来出发，即规范５．１．４条要求，从　而达到分肢稳定高于整体稳定的目的，进而达到用材　合理的目标。　中华人民共和国建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检　疫总局．钢结构设计规范ＧＢ５００１７－－２００３［ｓ］．北京：中国计划出　版社，２００３．　刘声扬．钢结构［Ｍ］．３版．北京：中国建筑工业出版社，１９９７：１５４　—１８４．　（责任编辑：于继红）　参考文献：　［１］ＤＢ４２／Ｔ］５９—２０１２，湖北省地方标准《基坑工程技术规定》［Ｓ］　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌａｔｔｉｃｅ　Ｃｏｌｕｍｎ　ｏｆ　Ｉｎｎｅｒ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　ａｂｏｕｔ　Ｄｅｅｐ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｉｔ　ＨＵＡＮＧ　Ｈａｉｘｉａｎｇ　，ＷＵ　Ｌｉｓｈｅｎｇ　。ＣＨＥＮＧ　Ｈｕａｒｅｎ　（１・Ｔｈｅ　４ｔｈ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｂｒｉｇａｄｅ　ｏｆＨｕＨｉ，Ｘｉａｎｎｉｎｇ，Ｈｕｂｅｉ　４３７１００；２　Ｈｕｂｅｉ　Ｃｏｎｔｒａｃｔｏｒ　Ｇｒｏｕｐ　ｏｆ　ｅｏ￣ｇｉＧｃａｌ　ａｎｄ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｅ　ｗｅｒｉｎｇＷｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ　４３００７２）　，Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌａｔｔｉｃｅ　ｃｏｌｕｍｎ　ｏｆ　ｉｎｎｅｒ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｏｆ　ｄｅｅｐ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｉｓ　ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔＴｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　０ｆ　ｉｔｓ　．ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｏｆ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｉｎｎｅｒ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｙｓｔｅｍＴｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　．ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｆｏｒｍｕｌａ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｍａｎｙ　ｕｎｉｑｕｅ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｓｔａｆｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ；ｌａｔｔｉｃｅ　ｃｏｌｕｍｎ；ｓｐｌｉｔ　ｐｉｅｒ；ｂａｔｔｅｎ　ｐｌａｔｅ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　（上接第７４０页）　Ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｔｅｃｔｏｎｉｃ—ｐａｌｅｏｇｅｏｇｒａｐｈｙ　Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｏｆ　Ｈｕａｓｈａｎ　Ｇｒｏｕｐ　ｉｎ　Ｑｉｎｇｂａｉｋｏｕ　Ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　Ｄａｈｏｎｇ　Ｍｏｕｎｔａｉｎ，Ｈｕｂｅｉ　ＺＨＡＮＧ　Ｈａｎｊｉｎ，ＹＥ　Ｑｉｎ，ＭＡＣ　Ｘｉｎｗｕ，ＹＡＮＧ　Ｊｉｎｘｉａｎｇ，ＬＩ　Ｌｉｎｊｉｎｇ，ＬＩＡ０　Ｍｉｎｇｆａｎｇ，ＬＩ　Ｊｉｎｇｌｉ　（ＨｕＨｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＧｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｕｒｖｅｙ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ　４３００３４）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｃｅ“Ｈｕａｓｈａｎ　ｇｒｏｕｐ”ｉｎ　Ｄａｈｏｎｇｓｈａｎ　ｍｏｕｎｔａｉｎ　ｏｆ　ｓｏｕｔｈ　Ｓｕｉｚｈｏｕ　ｏｆ　Ｈｕｂｅｉ　ｗａｓ　ｎａｍｅｄｉｔ　ｈａｓ　ｍｅａｎｔ　ａ　ｂｒｏａｄ　．ｇｅｏｌｏｇｉｃ　ｂｏｄｙ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｃｌａｓｔｉｃ　ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ　ｒｏｃｋｂａｓｉｃ　ｖｏｌｃａｎｉｃ　ｒｏｃｋ，ａｃｉｄ　ｖｏｌｃａｎｉｃ　ｒｏｃｋｓ．Ａｆｔｅｒ　ｂｅｉｎｇ　ｄｅｃ０ｍｐｏｓｅｄ，。，　ｔｈｅ“Ｈｕａｓｈａｎ　ｇｒｏｕｐ”ｏｎｌｙ　ｓｔａｎｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｌａｓｔｉｃ　ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ　ｒｏｃｋｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｉｖｉｄｅ　ｉｎｔｏ　Ｈｏｎｇｓｈａｎｓｉ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｌｉ—　ｕｆａｎｇｚｕｉ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ．ａｎｄ　ｉｔ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ　ｂｏｄｙ　ｆｒｏｍ　ｎｅａｒ．ｓｈｏｒｅ　ｓｕｂａｑｕｅｏｕｓ　ａｌｌｕｖｉａｌ　ｆａｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒａｌ　０ｆ　ｂａｓｉｎ，．　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｖｅｒｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｏｌｄ　ｍｅｓｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃ　ｃａｒｂｏｎａｔｉｔｅ　ｂａｓｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｄａｇｕｓｈｉ　ｇｒｏｕｐ　ｉｎ　Ｙａｎｇｔｚｅ　ｃｒａｔｏｎ　ｕｎｃｏｎｆｏｒｍｉｔｙａｎｄ　ｉｓ　０．　ｖｅｄａｐｐｅｄ　ｂｙ　Ｌｉａｎｔｕｏ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎａｎｈｕａ　ｐｅｒｉｏｄｔｈａｔ　ｂｅｌｏｎｇｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｆｏｒｅｌａｎｄｂａｓｉｎ　ｔｅｃｔｏｎｉｃ－ｐａｌｅｏｇｅｏｇｒａｐｈｙ．Ｈｕａｓｈａｎ　，ｇｒｏｕｐ　ｔｏｇｅｔｈｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｖｏｌｃａｎｉｃ　ｒｏｃｋ　ａｎｄ　ａｃｉｄ　ｖｏｌｃａｎｉｃ　ｒｏｃｋｓ　ｔｈａｔ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｅｄｔｈｅｙ　ｆｏｒｍ　ｔｈｅ　Ｆｏｒｅｌａｎｄｂａｓｉｎ－ｏｐｈｉ０．　．１ｉｔｅ　ｂｅｌｔ—ｍａｇｍａｔｉｃ　ａｒｃ　ｔｅｃｔｏｎｉｃ．ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｍｏｄｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｅｃｔｏｎｉｃ　ｐａｌｅｏｇｅｏｇｒａｐｈｙ；ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；Ｈｕａｓｈａｎ　ｇｒｏｕｐ；Ｑｉｎｇｂａｉｋｏｕ　Ｐｅｒｉｏｄ；Ｄａｈｏｎｇ　Ｍｏｕｎｔａｉｎ