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砂筒在钢筋混凝土支撑结构中的应用* Ap p l i c a t i o n o f S a n d C y l i n d e r s t o R e i n f o r c e d Con c r e t e S u pp or t S t r u c t ur e 王祺国 刘慧丽 蔡锦波 刘巍 1 上海建工二建集团有限公司 上海2 0 0 0 8 0 ；2 上海大学土木工程系 上海2 0 0 0 7 2 摘要：砂筒作为一种卸落设备，具有承受荷载大、卸落简单等优点，已广泛应用于桥梁施工过程中。结合工程实际， 介绍了将砂筒应用到钢筋混凝土支撑结构中的设计方法，达到了经济有效的拆除支撑的 目的。其研究为如何选用合理 的干细砂 ，来满足实际工程中砂筒的抗压强度和抗剪强度要求提供了理论和实践依据。 关键词：砂筒 干细砂 强度特性 A N S Y S 分析 钢筋混凝土支撑 中图分类号：T U 7 5 3 3 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 3 ) 1 0 - 0 8 8 3 0 4 砂筒 作为一种 既经济 又简易 的卸落设 备 ，其具有承 受荷载大、卸落简单等优点 ，被广泛应用于桥梁施工过程 中，如大跨度拱架 、移动模 架等 的拆卸 。为此 ，本 文尝 试将桥梁中的砂筒安装到钢筋混凝土支撑结构中，对填充 进砂筒中的砂子的力学性能进行初步探索 ，并使用A N S Y S 有限元分析软件对未设置砂筒 的支撑和设置砂筒 的支撑进 行对比分析 ，以期在不影响支撑正常使用状态 的基础上实 现绿色、环保、优质、高效拆除支撑的 目的。 1 砂筒 的设计 桥梁中所设置的砂筒结构承受来 自上部结构通过 内筒 作用在砂筒中砂上的竖向轴力。而在基坑支护 中的支撑设 置有砂筒结构 ，其承受着来 自围护结构作用在砂上的水平 轴力 ，桥梁中的砂筒和基坑支撑中的砂筒 受力特性相 同， 都是受有轴 向力的作用。但是桥梁中的砂筒通过 自身 的重 力作用使得砂子能够保持密实状态，支撑中的砂筒若要保 持砂子的密实状态 ，就需要将砂子事先密实的压入其 中， 并将钢筒制成一个留有放砂孔 的密封筒体 ，因此 ，支撑 中 的砂筒是完全预制的。 1 1 砂 筒的几何尺寸 内装有砂子的砂筒 是由铸铁制成的圆筒 ，砂筒 的上下 板面也是 由铸铁制成。在钢砂筒侧筒壁的中间垂直方向开 一 个小孔即为漏砂 口，漏砂 口的大小要便于小型工具从简 内掏出沙粒 ；当处于未填充状态时 ，筒 内的砂粒能够迅速 外泄。砂筒 在支撑 中沿支撑轴线方向的剖面图如图1 中的 “ 注： 本项目 为 上海科 委 启明 星 计划 i 粜 题， 编 号为1 1 c IB 1 4 0 4 7 伪。 _ 博 囊臻 0 嘲曩 曩 _ 一_ 。 囊冀 囊蔓 毒 j 薯 糍 眷 舞 鬻 一 誊群 作奄 简介： 王祺国( 1 9 8 2 - ) 男 硕士工程师。 i j 羔 。 。 。 。 - 薯 善 j i 通 f【士 燃 ： =上 海 市 梧 州 路 2 8 9 号 ( 2 o o 0 8 o ) 。 誊 薹 一 收稿日 期： 2 o l 3 l憾2 6 搿 j ( a ) 所示 ，而沿支撑横截面方向的剖面 图如图1 中的 ( b) 所 示 。 图1 砂简构造示意 图中，d 为砂筒 内壁的直径 ；d 为砂筒外壁的直径 ； d ， 为泄砂孔的直径 ；H 为砂筒 的内高度 ；H 为砂筒 的外高 度 ； ， 为侧壁和上下底板的厚度 ； 1 2 支撑中砂筒的工作机理 根据 现场施工的实际情况确定砂筒 的数量，在浇筑混 凝土支撑时，先在混凝土支撑上预留有泄砂孔 ，而后将预 制的钢砂筒放入其中，并使得钢砂筒 的泄砂 口与混凝土底 面上的泄砂孔相通，最后将钢砂筒浇筑在混凝土中。 基坑支撑在工作过程中，砂筒中的砂与其周围的混凝 土一起受有水平轴力 ，这就要求砂筒中的砂 的抗压 强度要 大于或等于其周围混凝土的抗压强度。 全部施工完成 后 ，基坑支撑需要拆 除时，取出放砂 孔中的填充物 ，将筒 内的砂子放 出，此时 ，在设有砂筒的 截面处，就只剩下砂筒周围的混凝土来承受水平方向的轴 力 ，这些设有砂筒 的地方就变成 了支撑结构中最薄弱的地 方，最终 ，混凝土会 因无法承受轴力的作用而被压碎 ，支 撑便可分段 的取出，达到绿色、环保 、优质 、高效拆除支 2 o 1 3 1 0 B u ti d i n g C 。 n s t r u c t i o n J 8 8 3 撑的目的。 2 砂筒 的强度特性 2 1砂筒抗压强度 为了将砂筒合理地运用到钢筋混凝土支撑结构 中，就 需要砂筒能够与混凝土一起承受从支护结构传来的轴力。 钢砂筒内砂的质量要求较高 ，需干净无泥 ，烘干后进 行筛 分，选取粒径1 52 5 mm的细砂作为使用砂。钢筒 内的干砂受到轴力作用就相当于在有侧限的条件下对筒内 干砂进行三轴试验。对干砂在有侧 限条件下的轴向压缩试 验 ，国内已有一些研究 ，其试验结果表 明干细砂在受有 轴向压应力为1 O 0 MP a 以上时，干细砂的轴向应变一直保持 在0 3 5 ，此时的干细砂较为密实。有试验结果对干砂加载 段应力应变曲线拟合指数型经验公式，拟合公式如下 ： p = 1 8 8 7 e 9 3 l 1 州 一 1 ( 1 ) 式中：p 轴 向应力 ( 取压 为正 ) ； 初始体积； 当前体积。对于砂筒来说 ， V= H 。 叶 将轴 向应 力与干细砂 的初始体积通过 ( 1) 式形成 了 一 个指数的对应关系，在制作砂筒 的过程 中，可 以通过加 入不同体积量 的干细砂制备出能够承受不同轴向压力的砂 筒 ，以满足实际工程中对于砂筒抗压强度的不同要求。 2 2 砂筒抗剪强度 在有侧限的条件下对筒 内干砂进行三轴试验 ，其两个 侧 向的应力相等并为小主应力 ，而轴 向的应力为大主应 力 ，干砂在侧限条件下的三轴试验如图2 所示。 图2 干砂在侧 限条件下的三轴试验 根据文献 在干砂 的非连续物理特性的基础上 ，建立 适用于干砂的应力状态方程 ，给出与最大主应0 1 作用下 平面成任意角度口 的平面上的正应力 口 剪应力 7 a 的计算公 式 ，公式如下所示 ： = + 三 c o s2 a l ( 1 一 n )( 2 ) z I = 三 s i n 2 I ( I 九 ) ( 3 ) 式中： n 孔隙率 ； 2 3 对孔隙率的体积与面积的转换 ： 8 8 4 l 建 筑 施 工第 3 5 卷第 1 o 期 、 分别是最大和最小主应力。 由 ( 2) 式、 ( 3) 式通过消元法消去两式中的2 项 ， 可 得 ： 【d 一 + r = 【 】 c 4 由 ( 4) 式可见 ，在c r _ T 坐标平面内，砂单元体的应力 状态轨迹是一个圆，其圆心落在 上 ，与坐标原点的距离 为 ，半径为 。 根据莫尔- 库伦破坏准则 可知 ，砂的抗剪强度可用如 下的公式来表示： r = at a n + c ( 5) 式中：T 广抗剪强度 ； 剪切破坏面上的法向总应力： c 一黏聚力，也称内聚力 ， 广内摩擦角。 但由于本文 中采用的砂 为干砂 ，干砂 的莫 尔一 库伦破 坏线为一条经过原点的直线，即认为干砂 的黏聚c = O 嘲， ( 5) 式可进一步简化为 ： T r = at a n ( 6) 对于砂而言 ，T 与。 的关系曲线是通过原点且与横 坐 标成 角的一条直线，称为抗剪强度线。砂 的抗剪强度是 由 法向应力产生的内摩擦力o t a ( t a n 称为内摩擦系数 ) 形 成的。 当应力圆和抗剪强度线相切时，切点所代表的平面上 的剪应力 1 - 与抗剪强度 1 - 相等 ，此时该点砂处于极限平衡 状态 ( 即处于破坏临界状态 ) ，切点所代表的平面为剪 切破裂面 ，而剪破面与最大主应力 作用平面所成夹角为 剪破角 。剪破角与内摩擦角之间的关如下所示： = + 詈 将 ( 2 ) 式和 ( 7) 式代入 ( 6) 式，可得 ： r，= + s n 】 ta n ( 一 n 2 ) 令 T Tf ，得 ： s i n p= ( 8) 1 十 3 。 而a 3 1 I 为钢筒壁对砂子所作用的围压 ，砂子在边界上 需满足位移为零的边界条件嘲，即： 如=( o 3 - 0 i ) ( 9) 式中 ： 卜砂子的弹性模量 ； l ， _ _ 一 砂的泊松比。 令如 = 0 ，则 ( 9) 式可进一步简化为 ： _ ( 1 0) 将 ( 1 0) 式代入到 ( 8) 式中可得 ： s i n p ， ( 一 种拆除简便的深基坑 支撑施工技术* A C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y f o r Di s ma n t l i n g o f S i mp l e De e p F o u n d a t i o n P it S u p p o r t 王祺国 上海建工二建集团有限公司 上海 2 0 0 0 8 0 摘要：对于钢筋混凝土支撑的拆除目前有三种方式：爆破拆除、切割拆除和机械凿除 ，但三种拆除方式施工不安全、 成本较高、污染严重。基于此，提出了一种拆除简便的新型深基坑支撑型式：硫磺胶泥一 钢筋混凝土支撑，既满足深基 坑对于支撑体系的受力要求，又拆除简便 ，可供相关工程借鉴采用。 关键词：硫磺胶泥一 钢筋混凝土支撑 支撑拆除 A N S Y S 软件 中图分类号：T U 7 5 3 3 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 8 8 6 0 3 1 研究背景 理论和工程实践表明，支撑的刚度是影响基坑变形的 关键 因素之一。钢筋混凝土支撑 由于具有较大的刚度和 空间稳定性而被大量应用于基坑工程之中，但是其不足之 处在于拆除复杂、成本高。 目前主流的钢筋混凝土支撑拆除方式包括爆破拆除、 切割拆除和机械人工凿除等。爆破拆除 。 方式具有的缺点 是不安全、爆破材料的采购运输储存的要求都 比较高，并 且爆破会对基坑和周围的建筑物以及管线设施都会产生影 响。上海市有关部 门已经明确规定 ，内环 以内的基坑工程 注： 本项目为上海科誊 启咀星 计划课题 编号为1 1 c I B 1 4 0 4 7 作者简介 王祺国 ( I 9 8 2 )，男，硕士 蠢工程 师。 蔓 。 曩 通讯地址：上海市梧州路2 8 9 号 ( 2 0 o o 8 o ) 。 收稿日期：2 0 1 3 0 8 + 2 6 钢筋混凝土支撑拆除严禁采用爆破拆 除的方式。切割拆除 方法是 目前绿 色施工的主流方向，比较环保 ，但是该 方法 造价较高。机械凿除方式虽然经济性较好 ，但是施工噪声 大、粉尘污染严重。鉴于上述钢筋混凝土支撑拆除方式 的 种种缺 陷，本文提出了一种拆 除简便 的新型深基坑支撑型 式 ，即硫磺胶泥一 钢筋混凝土支撑S MR C S( S u l p h i d e Ma s t i c R e i n f o r c e d c o n c r e t e S u p p o r t )，该支撑体系既具有混凝土 支撑 的刚度与强度 ，又利用 了硫磺胶泥的热熔性，拆除十 分方便。 2 硫磺胶泥概述 硫磺胶泥 曾被广泛应用于桩基础的接桩中 ，应用十 分成熟， 它具有施工方便、造价低和工期短的优点。上海 市建设委员会1 9 8 3 年批准 了上海市结构构件通用图集， 正 式规定了硫磺胶泥桩接头的设计和施工标； 隹及方法。 下 ，需要满足抗剪强度 的要求。本文通过一系列的公式推 导 ，得 出了在满足抗剪强度要求下的干细砂内摩擦角 的最 小值 ，以及初始干密度最小值。 本 文的研 究成果具 有一定的理 论意义和工程应用价 值 ，但是研究内容 尚处于初级阶段 ，还需通过大量的试验 对本文的结论进行的合理性验证 ，以便更好地满足实际工 程 需要 。 1 杨志翠 建筑基坑支护结构的选型及其优化设计 D 太原： 太原理工 大 , 2 0 1 1 ： 2 8 - 3 1 8 8 6 l 建 筑 施 工第 3 5 卷第 1 o 期 任东红， 李锦华桥梁施工卸落设备砂筒的空间应力分析及试验J 】 华 东交通大学学报， 2 0 0 5 ( 5 ) ： 3 7 - 4 0 徐日 庆， 王兴陈， 朱剑锋 考虑孔隙率的干砂应力条件f J 兰州大学学报： 自 然科学版， 2 0 1 1 ( 4 7 ) ：2 8 1 _ 2 8 2 赵成刚， 白冰， 王云霞 土力学原理口 北京： 清华大学出版社， 2 0 0 4 徐日 庆， 王兴陈， 朱剑锋等 初始相对密实度对砂士强度特性影响的试 验 J 江苏大学学报： 自 然科学版， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 3 4 5 3 4 9 张孟喜 土力学原理 武汉： 华中科技大学出 版社，2 0 1 0 徐芝纶 弹性力学【M 北京： 高等教育出 版社，2 0 0 6 严战友，赵国芳 砂土填料用于路基的性能分析 J 路基工程，2 0 0 9 ( 5 ) ： 4 6 4 吲