基坑支护中格构柱计算分析

韩江

中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西 西安 710000

摘要：以实际基坑工程项目为例，分析基坑支护中格构柱的相关规范规定及计算方法，通过工程实例对格构柱的内力进行分步验算，方便设计人员在基坑支护设计中参考，有利于基坑支护工程设计及计算的标准化建设。

关键词：基坑支护；钢支撑；格构柱；计算算例

为满足日益增长的市民出行，城市轨道交通的建设稳中有进。地铁车站一般位于城市繁华地带，由于基坑周边建构筑物及交通等因素的限制，地铁车站的长条型基坑通常采用控制基坑变形较好且有利于重复使用的排桩+钢管内支撑结构进行支护，基坑宽度大于20m时，一般需要在基坑中间设置格构柱。本文梳理了格构柱的相关规范规定，并通过计算实例进行格构柱的分析验算，便于设计人员参考使用。

我国现行《建筑基坑支护设计规程》JGJ 120-2012(以下简称“《支护规程》”)第4.9.10条第2款规定了单层支撑的立柱及多层支撑底层立柱的受压计算长度应取底层支撑底面至基坑底面的净高度与立柱直径或边长的5倍之和。《支护规程》第4.9.15条规定了立柱长细比不宜大于25。对于立柱计算，《支护规程》4.9.5条及4.9.10条规定，对于在内支撑结构上的竖向荷载较小，且内支撑结构的水平构件按连续梁计算时，立柱可按偏心受压构件计算。

对于钢支撑其竖向荷载较小，为简化计算，立柱按轴心受压构件考虑，但根据《支护规程》无法确定立柱的竖向轴力设计值，笔者查阅了相关规范，《广州地区建筑基坑支护技术规定》GJB 02-98(以下简称“《广州规定》”)第6.9.12条规定，立柱内力宜根据支撑条件按空间杆系结构力学计算，也可按轴心受压构件计算，轴线力设计值宜可按下式确定：

其中

结合以上规定，则可在围护计算查出支撑轴力标准值的情况下，较为简洁的进行立柱强度及稳定性验算。结合以上分析，下面给出一个钢结构格构柱立柱的计算实例，方便设计人员参考使用。

某基坑支护形式为两道支撑结构，底层支撑中心距离基底竖向高度5m，立柱采用460×460mm角钢缀板式格构柱，角钢采用等边160×14mm，缀板采用420×300×10mm，相邻缀板中心距为0.7m，钢材牌号均为Q235，第一道支撑轴力标准值为1255kN，第二道支撑轴力标准值为7945kN，上部支撑、连系梁及施工荷载自重为80kN，则支撑传到立柱上的竖向力标准值为80+0.1（1255+7945）=1000kN，基坑安全等级为一级，重要性系数 ，根据以上条件验算立柱稳定性。

首先计算格构柱自重，等边160×14角钢理论重量为0.34kN/m。单块缀板重量为0.42×0.3×0.01×78.5=0.1kN，格构柱每延米重量为4×0.34+4×0.1/0.7=1.93kN，5m格构柱总自重为9.7kN。

支撑底部总轴力设计值

立柱计算长度

由《钢结构设计标准》GB50017-2017(以下简称“《钢规》”) 7.2.3条第2款，对于焊接缀板，分肢计算长度

查钢结构手册，对于等边160×14角钢，面积 ，最小回转半径 ，

故分肢对最小刚度轴的长细比 ，满足《钢规》第5.2.5条要求。

格构柱惯性矩

格构柱长细比

换算长细比

查《钢规》表7.2.1-1，b类截面，查《钢规》附录稳定系数

稳定性验算满足。

从上述算例可看出，用如上尺寸构件，支撑中心距离基底3m也不能满足长细比25的要求。可看出长细比小于25要求较为严苛，不容易满足，但稳定性验算可满足。

如按承载力极限值反推，令 ，可得 。对于单根格构柱分担两道支撑、每道4根支撑的情况，由

令 ，忽略自重作用，则单根轴力计算值 ，也就是说，在2道水平支撑体系的基坑中，分担4根支撑荷载的460×460格构柱，支撑轴力标准值小于3040kN时，该格构柱稳定性可满足要求。

结论：

1对于设立柱的内支撑结构宜按空间框架计算，对于作用在内支撑结构上的竖向荷载较小时也可采用简化的轴心受压构件计算。

2结合《基坑规范》及《广州规定》相关规定，本文提出了相对简化的计算方法供设计人员参考。

3对于常用的460×460mm钢缀条式格构柱立柱，一般情况下不容易满足长细比限值25的要求，建议设计支撑轴力较大时适当加大格构柱尺寸。

参考文献：

[1].刘国斌、王卫东.基坑工程手册(第二版)[M].中国建筑工业出版社，2009.11.

[2].建筑基坑支护设计规程 JGJ 120-2012

[3]. 广州地区建筑基坑支护技术规定 GJB 02-98

[4]. 钢结构设计标准 GB50017-2017