一种逆作法施工环境下竖向支撑柱承载能力计算方法技术

一种逆作法施工环境下竖向支撑柱承载能力计算方法，所述竖向支撑柱为钢管混凝土柱且作为等效桩，竖向支撑柱的桩身作为实际桩，承载能力计算方法为求取钢管混凝土柱的长细比λ,所述长细比λ的计算公式为：

【技术实现步骤摘要】
一种逆作法施工环境下竖向支撑柱承载能力计算方法
本专利技术涉及建筑施工试验的
，尤其涉及一种逆作法施工环境下竖向支撑柱承载能力计算方法。
技术介绍
随着中国城市建设的跨越式发展，大规模的高层建筑地基基础与地下室、大型地下商场、地下停车场、地下车站、地下交通枢纽和地下变电站等地下结构的建设都面临着深基坑施工处理的难题。由于施工场地的工程地质和水文地质条件往往复杂多变、而基坑施工又常处于超大面积和大深度施工情况，在保证工期进度、资源节约和环境保护等一系列要求的情况下，传统的深基坑施工方法很难适应日益复杂的开发条件。而逆作法与传统的深基坑施工方法相比，克服了常规临时支护存在的诸多不足之处，具有保护环境、节约社会资源、缩短建设周期等诸多优点，是进行可持续发展的城市地下空间开发和建设节约型社会的有效手段。逆作法施工技术的原理是将高层建筑地下结构自上往下逐层施工，即沿建筑物地下室四周施工连续墙或密排桩，作为地下室外墙或基坑的围护结构，同时在建筑物内部有关位置施工楼层中间支承柱，从而组成逆作的竖向承重体系；随后从上向下挖一层土方，同土模浇筑一层地下室梁板结构，当达到一定强度后，即可作为围护结构的内水平支撑，以满足继续往下施工的安全要求。与此同时，由于地下室顶面结构的完成，也为上部结构施工创造了条件，所以也可以同时逐层向上进行地上结构的施工。支承柱作为逆作法施工的重要部分，在进行逆作法施工期间，地下室基础底板未封底之前，它将承受地下各层和地上预加载控制最多层数的楼层结构自重和施工荷载。基础底板封底后，它又作为地下室竖向承重结构的一部分，将上部结构的荷载传递给地下室基础底板。支承柱布置的位置和数量，要结合施工方案等诸多因素考虑计算后确定。逆作法施工过程中，各层楼板的施工和各层土方的开挖会形成不同的荷载工况。在不同工况条件下，竖向支承柱承受的竖向荷载和计算长度各不相同，因此竖向支承柱需进行不同工况下的承载力计算和稳定性验算。实际逆作法工程中，绝大多数竖向支承柱的截面受长细比构造要求的控制，为研究桩柱之间采用不同空隙回填材料对支承柱的约束作用影响，需要进行逆作法施工环境下竖向支承柱承载性能试验研究。《地下建筑工程逆作法技术规程》JGJ165第5.3.3条及《建筑基坑支护技术规程》JGJ120第4.9.15条均要求钢立柱长的细比不应大于25。实际逆作法工程中大多数竖向支承柱的截面受长细比构造要求控制，如何考虑桩孔内不同回填材料的约束作用计算钢立柱计算长度，再进一步计算钢立柱长细比，国家规范并未作出具体规定，仅有国内某地方标准所采用了加大几何长度法来确定竖向支承柱的计算长度，但未考虑竖向支承柱与桩之间的回填材料差异对计算长度的影响。加大几何长度法并未考虑桩孔周围地基土的差异，对桩孔周围地基土主要为较差的流塑粘土层以及淤泥和松散填土层是偏不安全的；且加大几何长度法要求桩与柱之间空隙的回填材料必须为砂石且注浆密实，并未考虑其它回填材料或注浆不密实的情况。目前，安徽省现有工程设计中常常按钢立柱的全长结合上下端约束条件取计算长度，对周围土体的约束作用完全不予考虑，所设计出的钢立柱往往截面偏大，造成了其外包钢筋混凝土形成框架柱后截面过大，进而影响使用功能和浪费资源。
技术实现思路
考虑竖向支承柱与桩之间间隙因回填材料的差异而引起约束条件的不同，从理论上推导逆作法支承钢管柱计算长度和长细比计算公式，为此，本专利技术提供一种逆作法施工环境下竖向支撑柱承载能力计算方法。本专利技术采用以下技术方案：一种逆作法施工环境下竖向支撑柱承载能力计算方法，所述竖向支撑柱为钢管混凝土柱且作为等效桩，竖向支撑柱的桩身作为实际桩，承载能力计算方法为求取钢管混凝土柱的长细比λ,所述长细比λ的计算公式为：lc为钢管混凝土柱的计算长度，μ为钢管混凝土柱的柱端约束条件的计算长度系数，h1、h2分别为钢管混凝土柱在土层中的长度和实际桩的长度，α1、α2分别为等效桩的水平变形系数、实际桩的水平变形系数；i为换算回转半径，I*为钢管混凝土柱的换算惯性矩，A*为钢管混凝土柱的换算截面面积，Es表示钢管弹性模量，Is表示钢管惯性矩，Ec表示钢管内混凝土弹性模量，Ic表示钢管内混凝土惯性矩，f表示钢管设计强度，As表示钢管横截面积，fc表示钢管内的混凝土设计强度；Ac表示钢管内的混凝土的横截面积。本专利技术的优点在于：本方法根据桩土共同作用原理，通过m值反应桩孔填料以及地基土类别的差异，所推导的逆作施工条件下钢立柱计算长度公式。经数值分析、模拟试验和工程实践检验，该公式较加大几何长度法计算公式更为全面、合理、可靠。换算回转半径i为规范计算值，故依据逆作施工条件下钢立柱计算长度公式，逆作施工条件下钢立柱长细比公式也更合理、可靠。附图说明图1-4为四种不同约束条件下的状态图。图5-7为试验模拟装置的结构图。图8为应变片的位置图。图9为位移计D的位置图。图10A为制作模拟装置中的基岩、钢管混凝土柱和实际桩的结构图。左上图为基岩的主视图，左下图为基岩的俯视图，右图为钢管混凝土柱和实际桩的结构图。图10B将钢管混凝土柱和实际桩插入到基岩的中心孔中的过程图。图10C为在实际桩和基岩的中心孔内壁之间注入结构胶后的结构图。图10D为填充好介质材料厚度结构图。图10E为制作好箱体后的结构图。图10F-10I为填充土层的步骤过程图。图11A为无介质材料状态下钢管试件对应的N-Δ曲线。图11B为介质材料是粗砂、预拌水泥灌浆料状态下钢管试件对应的N-Δ曲线。图11C为介质材料是预拌水泥灌浆料状态下钢管试件对应的N-Δ曲线。图12-15为竖向支撑柱的有限元分析模型图。图16为软件模拟和实验模拟状态下的介质材料分别是无、粗砂、预拌水泥灌浆料状态下钢管试件对应的N-Δ曲线。图中标注符号的含义如下：1-箱体101-木胶合板102-槽钢103-对拉螺杆104-木方2-钢管混凝土柱21-钢管试件22-钢管混凝土3-基岩4-实际桩41-钢筋笼42-桩混凝土5-级配砂石6-素土7-介质材料8-定型管91-加载板92-千斤顶93-反力梁94-反力架10-开挖面110-结构胶具体实施方式一种约束条件下钢管混凝土柱计算长度lc及长细比λ计算方法，所述钢管混凝土柱2的计算长度lc的计算公式如下：所述钢管混凝土柱2包括钢管和在钢管内浇筑的混凝土，实际桩4由钢筋和桩混凝土42浇筑形成。为了方便计算，钢管混凝土柱2作为等效桩来计算。lc为钢管混凝土柱2的计算长度(m)；μ为钢管混凝土柱2的柱端约束条件的计算长度系数，约束条件包括固接、铰接、半刚性连接。当钢管混凝土柱2两端铰接时取1.0，一端固定一端铰接时取0.7，两端固定时取0.5；l0为钢管混凝土柱2的外露长度；h1、h2分别为钢管混凝土柱2在土层中的长度和实际桩4的长度(桩身入硬岩时，h2的高度为从实际桩4的顶面至硬本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种逆作法施工环境下竖向支撑柱承载能力计算方法，所述竖向支撑柱为钢管混凝土柱(2)且作为等效桩，竖向支撑柱的桩身作为实际桩(4)，承载能力计算方法为求取钢管混凝土柱(2)的长细比λ,其特征在于，所述长细比λ的计算公式为：/n

【技术特征摘要】
1.一种逆作法施工环境下竖向支撑柱承载能力计算方法，所述竖向支撑柱为钢管混凝土柱(2)且作为等效桩，竖向支撑柱的桩身作为实际桩(4)，承载能力计算方法为求取钢管混凝土柱(2)的长细比λ,其特征在于，所述长细比λ的计算公式为：



lc为钢管混凝土柱(2)的计算长度，μ为钢管混凝土柱(2)的柱端约束条件的计算长度系数，h1、h2分别为钢管混凝土柱(2)在土层中的长度和实际桩(4)的长度，α1、α2分别为等效桩的水平变形系数、实际桩(4)的水平变形系数；i为换算回转半径，I*为钢管混凝土柱(2)的换算惯性矩，A*为钢管混凝土柱(2)的换算截面面积，Es表示钢管弹性模量，Is表示钢管惯性矩，Ec表示钢管内混凝土弹性模量，Ic表示钢管内混凝土惯性矩，f表示钢管设计强度，As表示钢管横截面积，fc表示钢管内的混凝土设计强度；Ac表示钢管内的混凝土的横截面积。


2.根据权利要求1所述的一种逆作法施工环境下竖向支撑柱承载能力计算方法，其特征在于，所述钢管混凝土柱(2)的计算长度lc在不同环境下的计算公式如下：
当钢管混凝土柱(2)顶铰接且桩底支于非硬岩中，

时，桩底部近似铰接，lc＝1.0×(l0+h1+h2)；

时，桩底部近似固接，
当钢管混凝土柱2顶铰接且桩底嵌于硬岩内，

时，桩底部近似固接，lc＝0.7×(l0+h1+h2)；

时，桩底部近似固接，
当钢管混凝土柱2顶固接且桩底支于非硬岩中，

时，桩底部近似铰接，lc＝0.7×(l0+h1+h2)；

时，桩底部近似固接，
当钢管混凝土柱2顶固接且桩底嵌于硬岩内，

时，桩底部近似固接，lc＝0.5×(l0+h1+h2)；

时，桩底部近似固接，


3.根据权利要求1所述的一种逆作法施工环境下竖向支撑柱承载能力计算方法，其特征在于，
等效桩的水平变形系数α1计算公式如下：



m1表示钢管混凝土柱(2)为等效桩的外侧介质材料(7)水平抗...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫东，钱礼平，赵时运，王静峰，应惠清，项炳泉，曾伟，陈刚，余波江，李晨，
申请(专利权)人：安徽省建筑科学研究设计院，
类型：发明
国别省市：安徽;34