裝配式張弦梁鋼支撐在某深基坑工程中的應(yīng)用

謝衛(wèi)兵，郭海輪，鄭釗澤

（深圳市建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站 深圳 518034）

0 引言

“綠色低碳發(fā)展”是當(dāng)代建筑行業(yè)發(fā)展的主題，深圳也一直在大力推進(jìn)建筑領(lǐng)域的綠色低碳發(fā)展，推動建筑資源的循環(huán)利用，積極提高裝配式建筑和綠色建筑的發(fā)展水平?；庸こ套鳛榻ㄖ械囊环N臨時性結(jié)構(gòu)，在“裝配式”結(jié)合“循環(huán)利用”上有很大的發(fā)展空間，裝配式結(jié)構(gòu)在基坑工程中已有廣泛應(yīng)用［1］。

鋼支撐在基坑工程中的應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)十年的歷史，鋼支撐可循環(huán)利用的特性與當(dāng)代建筑綠色低碳發(fā)展的主題具有極高的契合度。但是傳統(tǒng)的鋼支撐主要以單鋼管為主，在使用范圍上有很大的限制，這大大制約了鋼支撐的發(fā)展和應(yīng)用，主要用于地鐵、市政等寬度較小的基坑。

裝配式張弦梁鋼支撐從技術(shù)上解決了傳統(tǒng)鋼支撐的應(yīng)用限制，已在江西、江蘇、福建等多個地區(qū)成功應(yīng)用［2-5］。深圳某科技大廈基坑工程是該系統(tǒng)在深圳地區(qū)的首次應(yīng)用。

1 裝配式張弦梁鋼支撐的特點

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

裝配式預(yù)應(yīng)力張弦梁鋼支撐系統(tǒng)（見圖1）由水平支撐結(jié)構(gòu)和豎向支承結(jié)構(gòu)等組成。

圖1 系統(tǒng)組成平面Fig.1 System Composition Plan

1.2 桁架體系

桁架結(jié)構(gòu)在上部空間結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛［6］，裝配式張弦梁鋼支撐系統(tǒng)采用桁架體系，從根本上解決了傳統(tǒng)鋼支撐的整體平面外穩(wěn)定性問題。如圖2 所示，支撐主桿件采用格構(gòu)式，采用橫腹桿及斜腹桿保證桁架的整體穩(wěn)定。

圖2 桁架支撐Fig.2 Truss Support

1.3 張弦梁結(jié)構(gòu)

張弦梁結(jié)構(gòu)多用于上部大跨度空間結(jié)構(gòu)［7-8］，裝配式張弦梁鋼支撐將張弦梁結(jié)構(gòu)用于基坑內(nèi)支撐體系來承擔(dān)水平土壓力，屬于重載張弦梁結(jié)構(gòu)［9］。裝配式張弦梁鋼支撐系統(tǒng)結(jié)合張弦梁結(jié)構(gòu)，解決了支撐大跨度、大空間、強(qiáng)度弱的問題。典型案例如圖3所示，張弦梁鋼拉桿采用高強(qiáng)實心鋼棒，強(qiáng)度高、剛度大，安全度高。

圖3 裝配式張弦梁鋼支撐典型案例Fig.3 Typical Cases of Assembled Prestressed Beam String Steel Bracing System

張弦梁結(jié)構(gòu)是一種自平衡體系［10］，裝配式張弦梁鋼支撐系統(tǒng)，整個結(jié)構(gòu)體系受力明確：桁架只傳遞軸力，張弦梁拉桿只傳遞拉力，均不傳遞彎矩及剪力，可靠度高，受力簡圖如圖4所示。

圖4 張弦梁結(jié)構(gòu)受力簡圖Fig.4 Stress Diagram of Beam String Structure

2 工程概況

深圳某科技大廈基坑工程位于深圳市南山區(qū)高新北區(qū)，周邊有京港澳高速、南坪快速、北環(huán)大道、科技北三路、高新北一道等市政道路，交通便利?；觽?cè)壁主要土層為素填土、雜填土、黏土、礫質(zhì)粘性土、全風(fēng)化粗粒花崗巖等等，基坑底土層為礫質(zhì)黏性土及全強(qiáng)風(fēng)化巖。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級為一級。

本項目設(shè)地下室3 層，基坑周長約293 m，開挖面積為4 852 m2，基坑深度約13.0～14.8 m?；又苓叴嬖诿芗姓芫€，包括給水管、污水管、雨水管、電信管線、電力管線、燃?xì)夤芫€等等。

基坑采用咬合樁+2 道內(nèi)支撐支護(hù)方案。原設(shè)計采用2 道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，后變更為2 道裝配式張弦梁鋼支撐。第一道內(nèi)支撐角撐采用鋼筋混凝土支撐作為堆載平臺及臨時施工場地?；拥湫椭ёo(hù)剖面如圖5所示。

圖5 典型支護(hù)剖面Fig.5 Typical Support Profile（mm）

3 方案分析

相比混凝土內(nèi)支撐支護(hù)方案，張弦梁鋼支撐可通過預(yù)應(yīng)力的施加調(diào)節(jié)變形，在變形控制上更有優(yōu)勢。

3.1 支撐強(qiáng)度

本項目對撐組合型鋼采用3HN800×300×14×26，承載力相比1.0 m×1.2 m 混凝土支撐梁（C30）提高20.5%。角撐采用4HN800×300×14×26，承載力相比1.0 m×1.2 m 混凝土支撐梁（C30）提高60.7%。鋼支撐強(qiáng)度高，富余量大。桁架主桿件強(qiáng)度如表1所示。

表1 組合型鋼強(qiáng)度參數(shù)Tab.1 Strength Parameter of Composite Section Steel

3.2 鋼支撐的穩(wěn)定性

采用桁架結(jié)構(gòu)體系，穩(wěn)定性強(qiáng)。本項目支撐桁架對撐長度最大48 m，鋼支撐平面外（沿水平平面）穩(wěn)定性系數(shù)0.982。桁架穩(wěn)定系數(shù)如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)桁架平面外穩(wěn)定系數(shù)分析Tab.2 Analysis for Out of Plane Stability Factor of Standard Truss

平面外穩(wěn)定系數(shù)不考慮立柱的側(cè)向約束作用，安全儲備高。

3.3 基坑變形

深圳某科技大廈基坑支護(hù)工程采用裝配式張弦梁鋼支撐，可有效減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。從而減小基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。

張弦梁鋼支撐平面布置如圖6?所示，原混凝土支撐方案平面布置如圖6?所示。采用鋼支撐，通過預(yù)應(yīng)力的施加可有效控制變形，各剖面（見圖6?）圍護(hù)樁變形對照如表3所示。

表3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形對照Tab.3 Deformation comparison of Foundation Pit Retaining Structure

典型剖面圍護(hù)樁內(nèi)力位移包絡(luò)圖如圖7所示。

圖7 典型剖面圍護(hù)樁內(nèi)力位移包絡(luò)圖Fig.7 Envelope Diagram of Force and Displacement of Retaining Pile in Typical Section

4 施工要點

傳統(tǒng)的鋼支撐體系，圍凜多采用鋼圍檁，鋼圍檁對設(shè)計及施工要求均極高，傳統(tǒng)鋼支撐體系的失穩(wěn)，多為采用鋼圍檁所致［11-12］。裝配式張弦梁鋼支撐系統(tǒng)，冠（腰）梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的可靠度。裝配式鋼結(jié)構(gòu)對施工精度控制要求較高，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工往往較為粗放，裝配式張弦梁鋼支撐系統(tǒng)將鋼結(jié)構(gòu)的精細(xì)化與混凝土的粗放式有效結(jié)合，大大提高了現(xiàn)場施工的容錯率，保證了系統(tǒng)的可靠度。

4.1 裝配式張弦梁鋼支撐的施工控制

裝配式張弦梁鋼支撐的所有鋼構(gòu)件，均采用工廠預(yù)制，并嚴(yán)格控制加工精度。鋼構(gòu)件出廠后，在項目現(xiàn)場安裝前，均進(jìn)行預(yù)拼裝，確保構(gòu)件均能順利拼裝、且拼裝后的誤差均在允許范圍（見表4、表5）。

表4 張弦梁安裝驗收標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Acceptance Standard of Beam String Installation

表5 鋼支撐安裝驗收標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Acceptance Standard of Steel Support Installation

4.2 鋼支撐與混凝土冠（腰）梁的連接

鋼支撐與混凝土冠（腰）梁的連接，既要保證傳力可靠，又要保證施工方便，該節(jié)點的設(shè)置尤為重要。連接構(gòu)造如圖8所示，在原設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了前伸臂與冠（腰）梁的連接。

圖8 鋼支撐與混凝土冠（腰）梁連接節(jié)點Fig.8 Connection Joint of Steel Support and Concrete Crown（Waist）Beam

前伸臂的作用，一方面作為反牛腿擱置在冠（腰）梁上為鋼支撐提供支點，采用前伸臂的構(gòu)造措施，大大提高了鋼支撐的安全度，可確保鋼支撐不會偏移。另一方面，前伸臂通過預(yù)埋鋼板與冠（腰）梁相連，可確保鋼支撐的側(cè)向穩(wěn)定，并可傳遞冠（腰）梁與鋼支撐間的拉力，有效解決了多道支撐施工過程中可能出現(xiàn)的首道支撐與周邊圍護(hù)整體協(xié)同問題。

鋼支撐的端頭與冠（腰）梁之間采用C60 灌漿料（3 d強(qiáng)度即可達(dá)C30）二次填充，即可保證鋼支撐與混凝土冠（腰）梁緊密貼合、傳力可靠，又大大提高了現(xiàn)場施工的容錯率。二次灌漿料的厚度根據(jù)現(xiàn)場施工情況實時調(diào)整，在混凝土梁施工誤差較大的情況下仍能與鋼支撐有效結(jié)合。

4.3 施工過程控制

裝配式張弦梁鋼支撐的應(yīng)用，是對深基坑傳統(tǒng)內(nèi)支撐體系的突破，應(yīng)確保施工安全，施工過程的管控尤為重要。

應(yīng)加強(qiáng)對鋼結(jié)構(gòu)支撐體系的變形、應(yīng)力監(jiān)測，對支撐的應(yīng)力監(jiān)測采用實時監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)置合理的預(yù)警值，確保體系處于安全狀態(tài)。

應(yīng)有土方開挖及地下室結(jié)構(gòu)施工過程對鋼支撐的保護(hù)措施，尤其是施工過程中的防碰撞措施。

5 結(jié)論

裝配式張弦梁鋼支撐系統(tǒng)，顛覆了傳統(tǒng)的鋼支撐體系，采用桁架結(jié)構(gòu)結(jié)合張弦梁結(jié)構(gòu)，具有以下特點：

⑴剛度大、形變小、安全性高：結(jié)構(gòu)體系受力簡單，桁架只傳遞軸力，張弦梁拉桿只傳遞拉力，均不傳遞彎矩及剪力，剛、柔弦受力均勻、明確，可靠度高；預(yù)應(yīng)力施加方便，易于監(jiān)控；構(gòu)件名義剛度大，且可通過預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)，基坑變形?。?/p>

⑵施工空間大：通過設(shè)置張弦梁，可加大支撐間距，減少構(gòu)件數(shù)量，可節(jié)省出大量空間；取土方便、可減小作業(yè)難度，加快土方開挖速度；

⑶節(jié)省工期：采用全螺栓連接，安裝、拆除快速便捷，相比混凝土支撐無須養(yǎng)護(hù)，即裝即用；

⑷綠色環(huán)保、節(jié)約造價：鋼構(gòu)件可回收，循環(huán)使用，節(jié)能減排，螺栓連接拆卸方便，無揚塵、噪音以及施工垃圾。

綜上所述，裝配式張弦梁鋼支撐解決了傳統(tǒng)鋼管撐在大跨度時的穩(wěn)定性問題，及支撐間距過密的問題，是一項新型綠色深基坑支護(hù)技術(shù)，相比傳統(tǒng)混凝土支撐優(yōu)勢明顯，代表未來深基坑內(nèi)支撐支護(hù)技術(shù)發(fā)展的趨勢。