裝配式型鋼內(nèi)支撐穩(wěn)定性設(shè)計

劉發(fā)前

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

裝配式型鋼內(nèi)支撐穩(wěn)定性設(shè)計

劉發(fā)前

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

基坑工程的內(nèi)支撐通常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)。相比于鋼筋混凝土支撐，鋼支撐的材料強度高，可循環(huán)利用，建筑垃圾少，更加符合綠色環(huán)保的設(shè)計理念。然而，在深、大基坑中，鋼支撐的間距需布置較密以滿足強度條件和穩(wěn)定性要求，這給土方開挖（尤其垂直運輸）帶來了很大困難。將型鋼支撐拼接為一格構(gòu)式整體構(gòu)件，是一種代表性的處理方式?；诂F(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50017—2003），研究大跨度基坑中裝配式型鋼內(nèi)支撐的穩(wěn)定性設(shè)計，給出整體穩(wěn)定性、單肢穩(wěn)定性的分析方法，形成供科研、設(shè)計參考的計算流程。

基坑；支撐；裝配式；格構(gòu)式；穩(wěn)定性

1 概述

基坑工程正向深度大、跨度大、形狀不規(guī)則、環(huán)境要求高、施工速度快、綠色環(huán)保無污染的方向快速發(fā)展，支護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式亦更加靈活多樣，如預(yù)應(yīng)力裝配式魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)[1-3]。該支護系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)年的發(fā)展，積累了豐富的經(jīng)驗，并據(jù)此正在編制相應(yīng)的規(guī)程[4]。該種支撐的主要特點是完全采用預(yù)應(yīng)力裝配式型鋼結(jié)構(gòu)體代替原來密布的單肢型鋼，中間夾以預(yù)應(yīng)力魚腹梁，實現(xiàn)增大支撐（裝配式型鋼支撐）間距離，便于土方開挖。

目前為止，裝配式型鋼支撐的最大長度達120 m以上，實測資料亦表明基坑變形控制良好。然而，針對裝配式型鋼內(nèi)支撐，其規(guī)范的設(shè)計方法尚待進一步研究。支撐系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮強度、穩(wěn)定性兩方面，且多數(shù)情況下穩(wěn)定性控制起主導作用。根據(jù)《材料力學》[5]，支撐的臨界荷載可用歐拉公式計算，且需根據(jù)支撐兩端約束情況選擇合理的計算長度，最終可得出支撐在穩(wěn)定極限條件下荷載與長細比的關(guān)系。因此，為方便計算與控制，國家和各地方規(guī)范均對支撐計算長度（或長細比）有較為明確的規(guī)定。如國家規(guī)范[6，7]和南京地區(qū)規(guī)范[8]認為支撐的計算長度按照其實際長度或立柱中心間距確定；廣東地區(qū)規(guī)范[9]的要求基本與國家規(guī)范類似，并強調(diào)鋼筋混凝土支撐的長細比不超過80，型鋼支撐結(jié)構(gòu)的長細比不超過150；上海規(guī)范[10]要求鋼筋混凝土支撐在豎向平面內(nèi)的計算長度取其全長（未設(shè)立柱）或立柱中心距，鋼支撐應(yīng)取上述長度的1.2倍，橫向平面內(nèi)宜參照豎向平面情況確定。陳紹蕃[11]提出了工形截面和T形截面構(gòu)件受彎屈曲時的穩(wěn)定系數(shù)簡化公式，但不建議推廣用于一般受彎構(gòu)件；陳紹蕃[12]采用平衡法及能量法得出有2～4道彈性桿撐的軸壓鋼柱的穩(wěn)定臨界荷載的統(tǒng)一近似公式，可作為設(shè)有立柱的鋼支撐的穩(wěn)定性設(shè)計參考。以上研究均針對于實腹式支撐桿件，對于裝配式構(gòu)件，即當型鋼各肢采用綴板或綴條連接時，其穩(wěn)定性設(shè)計尚待進一步研究。

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)造型式

裝配式鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐系指采用綴板或綴條（或兩者均?。⒍嗟佬弯撝瓮ㄟ^螺栓連接成一格構(gòu)式拼裝結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2所示。

圖1 型鋼支撐與綴板的連接

圖2 型鋼支撐與綴板、綴條的連接構(gòu)造圖

支撐型鋼多采用工形鋼，目前常用的有H300*300系列、H350*350系列及H400*400系列，其中H350*350應(yīng)用最多。每根工形鋼的翼緣上均預(yù)打一定數(shù)量的圓孔，以便于與綴板（綴條）采用螺栓連接。綴板可以是一塊鋼板，亦可是形似于槽鋼的型鋼或焊接板，在局部焊接鋼板以防止綴板發(fā)生于局部區(qū)域。某工程中工形鋼與綴板連接的現(xiàn)場照片如圖3所示。工形鋼支撐與綴板之間采用一定數(shù)量的高強螺栓，并在施工階段定期查看螺栓的松動情況，確保兩者之間連接可靠，進而使得支撐體保持為一個整體。綴條的連接方式與綴板完全一致，只是其是與支撐斜交，此處不再贅述。

圖3 支撐與綴板的連接構(gòu)造圖

3 支撐整體穩(wěn)定性分析

為保持型鋼組工作期間特性不變，工形鋼與綴板（綴條）之間的連接強度（及螺栓的數(shù)量及強度）應(yīng)有足夠的安全度。因此，在設(shè)計中，在垂直面內(nèi)（實軸），支撐穩(wěn)定性能與實腹式構(gòu)件無異，穩(wěn)定驗算條件與實腹式柱相同。在水平面內(nèi)（虛軸），由于各分肢之間不是實體相連，構(gòu)件在平面內(nèi)的抗剪剛度較小，構(gòu)件的穩(wěn)定性將受到剪切變形的影響[13]。在支撐跨度較大，中間需設(shè)立柱時，立柱可作為支撐構(gòu)件的彈性支撐點，此時支撐計算長度應(yīng)取全長；當彈簧剛度大于一定數(shù)值時，立柱方起到剛性支座的作用，支撐的計算長度取立柱間距離[12]。

因此，在整體穩(wěn)定性驗算中，可按以下兩步：（1）以綴板間長度范圍為單元體，計算考慮剪力影響的極限荷載；（2）考慮立柱彈性約束影響，將支撐作為一整體構(gòu)件驗算其穩(wěn)定性。

鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)參考書籍中[13]，考慮剪力影響的格構(gòu)式柱的臨界力為：

式中：γ1為單位力作用下的剪應(yīng)變；NE為不考慮剪切變形影響的歐拉臨界力。

對于由n肢型鋼拼裝的支撐，變形前、后的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。圖中G=1表示單位剪力，1為型鋼支撐，2為綴板，L為綴板間中心距，d為水平位移。

圖4 綴板連接支撐計算模型

在單位剪力作用下，單根型鋼的剪力為1/n。取單根型鋼的一半作為研究對象，可將其看做為承受1/n水平力，長度為L/2的懸臂梁。由材料力學的自由端的撓度公式可得：

綴條連接的支撐計算模型如圖5所示。在單位剪力作用下，剪應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中：Ad為前后兩斜綴條的正截面面積之和。

圖5 綴條連接支撐計算模型

由式（5）、式（6）可以得出綴板連接、綴條連接發(fā)生單位水平位移時的剪力。同樣，當同時采用綴板、綴條時，發(fā)生單位剪切應(yīng)變的剪力為：

其倒數(shù)為單位剪力作用下的剪應(yīng)變，代入式（2）即可求得等代長細比。需要說明的是，式（6）推導過程中認為存在橫向綴條，式（5）的推導單獨考慮了綴板的作用，若簡單將兩者相加可能會產(chǎn)生誤差，但是，若誤差不大，亦可用于工程設(shè)計。

算例：現(xiàn)對5肢H350*350*12*19的拼接型鋼，綴板尺寸為750 mm×16 mm，中心間距5 m，斜綴條采用槽鋼28 a，h×b×tw×t×r×r1=280×82×7.5× 12.5×12.5×6.2，上下各兩根，根據(jù)式（5）、式（6）計算所得剪應(yīng)變分別為：

若斜綴條采用8型，h×b×tw×t×r×r1=80×43× 5.0×8.0×8.0×4.0，則

則：γ=0.455×10-8

由以上結(jié)果可見，斜綴條的效果要比綴板要好的多。工程設(shè)計中，可適當加大綴條的構(gòu)件尺寸，計算中僅將綴板作為儲備，以策安全。

根據(jù)文獻[12]，通過有限元模型計算立柱的水平剛度，即可代入下式計算支撐臨界力。

式中：Ncr0是不考慮立柱剛度影響的臨界力，在裝配式支撐計算中即為式（2）計算結(jié)果。

4 單肢穩(wěn)定性分析

我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50017—2013）[14]對格構(gòu)式構(gòu)件的分肢計算沒有考慮構(gòu)件的初始缺陷，此時對于各型鋼均相同的情況下，各支撐壓力相同，彎矩為單肢壓力乘以水平位移。即：

單肢型鋼兩端由綴板固定，可認為兩端固結(jié)，計算長度系數(shù)取μ=0.65。計算所得型鋼最大應(yīng)力應(yīng)滿足如下條件：

當然，若存在繞x軸旋轉(zhuǎn)（垂直作用面內(nèi)）的Mx，尚應(yīng)考慮雙向彎曲的影響。這是常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)計算內(nèi)容，在此不再贅述。

5 結(jié)論

本文以現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》為依據(jù)，對多道立柱樁支承的裝配式型鋼支撐的穩(wěn)定性進行了詳細分析。分析認為，現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《預(yù)應(yīng)力魚腹式基坑支撐技術(shù)規(guī)程》只獨立考慮了綴板或?qū)⒕Y板考慮為橫綴條，計算結(jié)果將會出現(xiàn)誤差，尤其是僅考慮設(shè)置橫向綴板的情況。通過本文分析發(fā)現(xiàn)，綴條的抗剪效果比綴板要好得多，設(shè)計過程中可僅考慮綴條的加固效果，僅將綴板作為儲備，以策安全。裝配式鋼支撐可視為一整體構(gòu)件，除需進行整體穩(wěn)定性分析外，尚應(yīng)進行單肢穩(wěn)定性考慮。單肢型鋼可認為兩端固結(jié)，采用壓彎構(gòu)件的模型進行分析。

[1]劉發(fā)前,盧永成.某超大跨度基坑的設(shè)計與問題處理[J].建筑施工，2012,34（9）：869-871.

[2]劉發(fā)前,盧永成.裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)的利與弊[J].城市道橋與防洪,2013(7)：117-118.

[3]劉發(fā)前,盧永成.預(yù)應(yīng)力裝配式魚腹梁內(nèi)支撐的剛度分析[J].城市道橋與防洪，2016，2（2）：154-168.

[4]中國土木工程學會標準.預(yù)應(yīng)力魚腹式基坑鋼支撐技術(shù)規(guī)程(送審稿)[S],2015.

[5]范欽珊,蔡新.材料力學[M].北京：清華大學出版社,2006.

[6]JGJ 120-120,建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].

[7]GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[8]DGJ 32/J 12—2005，南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范 [S].

[9]DBJ/T 15-20-97，建筑基坑支護工程技術(shù)規(guī)程[S].

[10]DGJ 08-61—2010，基坑工程技術(shù)規(guī)范[S].

[11]陳紹蕃.壓彎構(gòu)件彎扭屈曲穩(wěn)定系數(shù)φb的簡化計算[J].建筑結(jié)構(gòu),2014,44(21)：1-6.

[12]陳紹蕃.具有多道彈性支撐桿的鋼柱穩(wěn)定計算[J].西安建筑科技大學學報：自然科學版,2011,43(2)：153-159,276.

[13]夏志斌,姚諫.鋼結(jié)構(gòu)-原理與設(shè)計（第二版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[14]GB 50017—2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

TU753

A

1009-7716（2016）05-0081-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.022

2016-03-11

上海市青年科技啟明星課題（2014B類）（14QB1404100）

劉發(fā)前（1981-），男，安徽壽縣人，博士，高級工程師，主要從事

巖土及結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計與研究工作。