规定水平力（水平支撑的计算方法）
规定的水平力(水平支撑的计算方法)
一、水平支撑体系的计算方法
水平支撑体系的计算可分为土压力水平力作用下的水平支撑计算和垂直力作用下的水平支撑计算。目前，计算手段可以利用/[k0/]模型实现围护、内支撑、柱的整体分析，支撑构件的内力和变形可以根据静力计算结果直接确定，但/[k0/]模型的实用程度存在一些不足。因此，在这个阶段，大多数内部支撑系统都是通过相对简单的平面计算模型来分析的。当采用平面计算模型进行分析时，水平支撑计算应分别在水平力和垂直力的作用下进行计算，下面分别进行说明。
1.水平力作用下水平支撑的计算方法
1)支撑平面有限元计算方法
一般来说，水平支撑体系平面内内力和变形的计算方法是将支撑结构从整个支撑结构体系中切断。此时，内支撑(包括檩条和支撑杆)形成一个自平衡的封闭系统，该系统在土压力作用下的受力特性可用杆系有限元法计算分析。分析时，为了限制整个结构的刚体位移，必须对周围的檩条进行适当的约束。一般可以考虑在结构上施加三个不相交于一点的约束连杆，形成静定约束结构。此时约束环节不产生反作用力，可以保证分析结果与无约束环节得到的结果一致。
内支撑平面模型和约束条件确定后，用平面竖向弹性地基梁法(如图16-16所示)或平面连续介质有限元法得到的弹性支撑的反力作用于平面杆系结构，用空杆系有限元法可得到各支撑杆在土压力作用下的内力和位移。
采用平面竖向弹性地基梁法或平面连续介质有限元法时，应先确定弹性支座的刚度。对于形状规则的基坑和交叉正交支撑的内支撑体系，可根据支撑体系的布置、支撑构件的材料和轴向刚度等条件，按以下计算公式(16-1)确定支撑刚度。计算弹性支座反力后，可将水平力施加到平面杆系结构上，用有限元法计算各支撑杆的内力和变形，或采用简化分析方法，如支座轴力，由挡土墙沿檩条长度方向的水平反力乘以支座中心距计算， 而混凝土檩条可按多跨连续梁计算，相邻支撑点的中心距可作为计算跨度。 钢檩条的内力和变形应按简支梁计算，计算跨度取相邻水平支撑的中心距。
中间型
KB——内支撑压缩弹簧系数(kN/m2)；；
α-与支撑松弛相关的折减系数，一般为0.5 ~ 1.0；当对混凝土支架和钢支架施加预压力时，α= 1.0；
e-支撑结构材料的弹性模量(kN/m2)；；
A ——支撑构件的横截面积(m2)；
L ——支架的计算长度(m)；
s-支架的水平间距(m)。
对于复杂的支撑系统，很难根据上述公式直接确定弹性支撑的刚度，弹性支撑的刚度会随着周围节点位置的变化而变化。这里介绍一种比较简单的处理方法，即对水平支撑的檩条施加垂直于檩条的单位分布荷载p =1kN/m，得到檩条上各节点的平均位移δ(垂直于檩条的位移)，则弹性支座的刚度为:
应当指出，等式(16-2)反映了水平支撑系统的平均支撑刚度。
2)支持三维计算方法
通常情况下，基坑外侧的超载、水压力、土压力等侧向水平力通过围护结构传递，都会被坑内的内支撑系统所平衡。围护只起到挡土止水的作用，所有水平力通过竖向弯曲传递到内部支撑，不参与坑外水平力的分担。当基坑的形状具有很强的空相互作用时，如基坑的拱形、圆形或转角区域，围护结构也会同时承受坑外的部分水平力。这种情况下，如果按照上述计算方法计算分析内支撑的内力和变形，会高估内支撑的实际内力和变形，造成不必要的浪费。此时，应考虑空相互影响。
利用有限元软件，一般可以通过有限元软件的预处理模块或其他有限元预处理软件，建立考虑支护结构、水平支撑系统和垂直支撑系统相互作用的三维有限元模型。模型需要综合考虑结构分布、开挖顺序等。，然后用有限元程序逐步求解。下图16-24为基坑工程三维计算模型。
通常情况下，基坑外侧的超载、水压力、土压力等侧向水平力通过围护结构传递，都会被坑内的内支撑系统所平衡。围护只起到挡土止水的作用，所有水平力通过竖向弯曲传递到内部支撑，不参与坑外水平力的分担。当基坑的形状具有很强的空相互作用时，如基坑的拱形、圆形或转角区域，围护结构也会同时承受坑外的部分水平力。这种情况下，如果按照上述计算方法计算分析内支撑的内力和变形，会高估内支撑的实际内力和变形，造成不必要的浪费。此时，应考虑空相互影响。
利用有限元软件，一般可以通过有限元软件的预处理模块或其他有限元预处理软件，建立考虑支护结构、水平支撑系统和垂直支撑系统相互作用的三维有限元模型。模型需要综合考虑结构分布、开挖顺序等。，然后用有限元程序逐步求解。
3)计算示例
下面介绍用平面有限元法对某基坑工程支护系统的分析过程。项目基坑面积约6500m2，开挖深度约16.4米，基坑围护采用钻孔灌注桩结合搅拌桩止水帷幕作为围护，基坑内竖向布置3根钢筋混凝土支撑，支撑形式为圆形支撑平面布置。平面图如下图所示:
支持信息如下表所示:
a)确定支撑系统的刚度
建立三向钢筋混凝土支撑体系的计算图，如图16-26所示，然后沿檩条垂直方向的单位分布荷载p =1kN/m，进而得到三向支撑体系在单位分布荷载下的平均位移δ和支撑体系的刚度k。
b)计算支撑支架的反作用力。
根据上述计算确定的支撑刚度，采用竖向弹性地基梁法得到第一至第三支撑体系的支撑反力，如图16-27所示。
c)计算支撑系统的变形和内力。
根据图16-27，第一支撑水平荷载为314kN/m，第二支撑水平荷载为1076.1kN/m，第三支撑水平荷载为536.3 kN/m，分别对檩条施加三个支撑的水平荷载，得到三个支撑体系的变形和内力。
2.竖向力作用下水平支撑的计算方法
在竖向力的作用下，支座的内力和变形可按单跨或多跨梁近似分析，计算跨度为相邻柱之间的中心距。除自身重量外，还应考虑必要的支撑顶面，如施工人员通道的施工活载。
此外，在基坑开挖过程中，由于大量卸土，基坑会发生回弹和膨胀，柱子也会相应地膨胀。当柱间隆起量不同时，支座上也会产生二次应力。因此，在计算竖向力作用下的水平支撑时，应适当考虑柱桩的差异沉降因素，并适当提高。
二、支撑系统设计计算要点
作用在支护结构上的主要作用力是挡土墙的水土压力和坑外表面荷载引起的侧压力。支撑系统的整体分析方法已经在前一节中专门解释过了。本节涉及的支撑体系设计计算更倾向于支撑构件的强度、稳定性和节点构造，主要包括以下几个方面:
1)支座承受的竖向荷载一般只考虑结构自重荷载和支座顶部的施工活载。施工活荷载通常取4kPa，主要是指施工期间作为施工人员通道使用的支架，以及主体地下结构施工时可能作为混凝土输送管道使用的支架，不包括堆放在支架上的施工材料和施工机械的操作等。如需在支撑系统上设置施工栈桥作为施工堆放平台或施工机械工作平台，应始终进行专项设计。
2)围护檩条和支撑采用钢筋混凝土时，构件节点宜采用整体浇筑和刚性连接。使用钢檩条时，应在安装前在挡土墙上设置垂直牛腿。钢檩条与挡土墙之间的安装间隙应填充C30细石混凝土。当采用钢筋混凝土檩条与挡土墙及支撑构件整体浇筑连接时，计算出的支座弯曲距离可乘以0.8 ~ 0.9的调幅折减系数，但跨中弯曲距离会相应增大。钢支撑构件斜跨檩条时，在檩条上设置水平牛腿为宜。
3)作用在支护结构上的主要作用力是水、挡土墙土压力和坑外表面荷载引起的侧压力。对于温度变化和钢支撑预压力对支撑结构的影响，由于目前对此类超静定结构的试验研究较少，很难提出准确的设计计算方法。温度变化的影响程度与支撑构件的长度有很大关系。根据经验和实测数据，对于长度大于40m的支架，应考虑10%左右的支撑内力变化的影响。
4)支撑和檩条体系中主要支撑构件的长细比不应大于75；连接件的长细比不应大于120。
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