原文：中日基坑鋼結(jié)構支撐體系對比

作者：白潔，葛杰，雷克

巖土編輯整理，有刪減

    基坑支撐系統(tǒng)包括鋼筋混凝土支撐體系和鋼結(jié)構支撐體系兩種。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土支撐體系需要較長的制作和養(yǎng)護時間，制作后不能立即發(fā)揮支撐作用；拆除混凝土支撐的工作量大、粉塵污染嚴重、振動大、噪聲大，且材料不能重復使用，不符合目前綠色施工的要求。地下鋼支撐系統(tǒng)可以很好地克服鋼筋混凝土支撐系統(tǒng)的上述缺點，不僅如此，鋼結(jié)構支撐體系可通過液壓千斤頂施加預壓力，實時監(jiān)控并調(diào)節(jié)支撐力，實現(xiàn)基坑位移的嚴格控制，以滿足基坑周邊地鐵、重要管線等對基坑開挖環(huán)境效應的嚴苛要求。

    鋼支撐體系由水平型鋼支撐、 型鋼立柱以及鋼腰梁組成。與鋼筋混凝土支撐體系相比，基坑鋼支撐體系具有如下優(yōu)點：

    ①自重輕、安裝和拆除方便；

    ②施工速度快、可以重復利用；

    ③安裝后能立即發(fā)揮支撐作用，對減小由于時間效應而產(chǎn)生的支護結(jié)構位移十分有效；

    ④可通過千斤頂施加預壓力，實時監(jiān)控并調(diào)節(jié)支撐力。

    常見的基坑鋼支撐體系有型鋼支撐和鋼管支撐兩種

型鋼支撐

鋼管支撐

    我國于2011年1月出版了圖集《建筑基坑支護結(jié)構構造》11SG814，該圖集給出了鋼支撐系統(tǒng)常用的技術參數(shù)與節(jié)點構造；于1999年9月出版并于2012年修訂了行業(yè)標準《建筑基坑支護技術規(guī)程》JGJ120-2012，該標準給出了鋼支撐系統(tǒng)的設計計算方法。

    國內(nèi)較早成功應用基坑鋼結(jié)構支撐體系的典型案例為1998年獲得陜西市科技進步三等獎的陜西國貿(mào)二期項目。該項目基坑東西長約256m，南北寬約51m，開挖深度18.6m，設3層水平支撐。鋼支撐的布置如下:每隔8m左右布1道橫撐，角部設斜撐，在基坑寬度方向設3排立柱，在支撐與立柱交匯處設系桿。

陜西國貿(mào)二期鋼支撐布置平面

    鋼筋混凝土支撐由于剛度大、成本低、施工方法相對簡單，占據(jù)了我國基坑支護的主要市場。鋼支撐僅在對基坑位移要求較為嚴格的基坑中得到較多應用，且常采用第1道支撐為鋼筋混凝土支撐，第2道支撐為鋼支撐的做法。

鋼支撐與鋼筋混凝土支撐結(jié)合

    國內(nèi)鋼支撐常用的材料有鋼管和型鋼2種。鋼管多用609鋼管，型鋼支撐多用H型鋼，組合型鋼也可作為鋼支撐。鋼管支撐為中心對稱截面，在壓力作用下平面內(nèi)外穩(wěn)定性一致，因而應用最為廣泛。由于鋼支撐的剛度約為鋼筋混凝土支撐的1/5 ～ 1/10， 內(nèi)公認鋼支撐的適用范圍為跨度40m形狀的規(guī)則基坑。鋼支撐體系常用的平面布置形式有對撐、角撐、邊桁架、邊框架、圓拱形撐等。

    一般情況下對于平面形狀接近方形且尺寸不大的基坑，宜采用角撐；對于形狀接近方形但尺寸較大的基坑，宜采用環(huán)形、邊桁架支撐；對于長方形基坑，宜采用對撐或?qū)渭咏菗巍?/span>

鋼支撐典型平面布置

    鋼管支撐的接頭形式有焊接和螺栓連接2種，螺栓連接現(xiàn)場拼裝便捷、無焊接殘余應力問問題，因而在實際應用中較為常見。

鋼管支撐螺栓連接

    為克服鋼支撐剛度小的缺點， 可將鋼支撐與液壓千斤頂配合使用， 對鋼支撐施加可調(diào)節(jié)的軸壓力，提高支撐的剛度。在對鋼支撐施加預加力的基礎上， 我國于2000年左右開始研發(fā)基坑位移監(jiān)測技術，并將兩種技術相結(jié)合， 形成了鋼支撐軸力自動伺服系統(tǒng)。實現(xiàn)了液壓千斤頂對鋼支撐施加軸力的實時監(jiān)測與調(diào)整。

    除傳統(tǒng)鋼支撐體系外，近年來國內(nèi)從韓國引進一種新型的鋼支撐體系：魚腹梁鋼支撐體系。該體系通過對魚腹梁弦上的鋼絞線施加預應力，形成了大跨度的腰梁結(jié)構，經(jīng)與角撐 對撐和三角形連接點組合，形成一個平面預應力支撐系統(tǒng)。其由魚腹梁腰梁、 鋼絞線、 三角形連接點、 預壓頂緊裝置、 角撐、對撐、立柱和牛腿等部件組成。該體系最大優(yōu)點是支撐占空間小， 可為基坑土方開挖提供開闊的空間。

魚腹梁鋼支撐體系

    綜上所述， 地下鋼支撐體系在我國的研究與應用開始較早， 擁有配套的設計規(guī)范與圖集， 并研發(fā)應用了配套的軸力自動伺服系統(tǒng)， 引進了魚腹梁鋼支撐體系。然而，由于鋼筋混凝土支撐剛度大、施工簡單、鋼材歷史價格高等原因，鋼筋混凝土支撐仍然是最主要的支撐形式。鋼支撐系統(tǒng)僅在地鐵、隧道、重要管線沿線等對基坑位移要求嚴苛的基坑中應用較多。

    1、日本基坑鋼支撐種類

    根據(jù)日本的《環(huán)境基本法》、《資源有效利用促進法》，日本對建筑垃圾的主導方針是盡可能不從施工現(xiàn)場排出建筑垃圾。由于鋼筋混凝土支撐最終需要鑿除外運，形成建筑垃圾， 而鋼支撐為裝配式結(jié)構體系，綠色環(huán)保，可重復利用，不產(chǎn)生建筑垃圾。因此，基坑鋼支撐體系在日本得到廣泛應用，是基坑支撐的主要結(jié)構形式。

    日本的基坑鋼支撐體系有以下幾種：水平支撐體系、拉錨體系、斜撐體系與拉桿體系。其基本結(jié)構形式如圖所示。

日本鋼支撐體系基本結(jié)構形式

    其中，水平支撐體系由型鋼腰梁、雙向水平支撐梁、端部斜撐、角撐和立柱組成。

水平支撐體系結(jié)構組成

    2、中日水平鋼支撐體系設計方法對比

    2、1設計依據(jù)對比

    日本的水平鋼支撐設計依據(jù)為《道路土工仮設構造物工指針》；中國的基坑鋼支撐設計依據(jù)為《基坑支護技術規(guī)程》 JGJ120—2012 和《鋼結(jié)構設計規(guī)范》 GB50017—2003

    2、2腰梁設計方法對比

    日本將鋼腰梁的計算模型簡化為兩端簡支的壓彎構件， 以45°端部斜撐為例， 其計算跨度為 l1 +l2 ( 見圖) ， 軸壓力的計入跨度如下圖所示；中國將鋼腰梁的計算模型簡化為連續(xù)梁， 構件也按壓彎構件計算， 但計算跨度為相鄰支撐點的中心距。

腰梁計算跨度

腰梁軸壓力計入范圍

    2、3水平支撐設計方法對比

    日本將水平支撐的計算模型簡化為以支撐為支座的簡支梁， 按壓彎構件計算。彎矩為支撐在自重以及豎向施工荷載作用下產(chǎn)生的， 軸力為基坑側(cè)壁傳遞的壓力， 水平支撐計入側(cè)向壓力的范圍。

水平支撐計入側(cè)向壓力范圍

    中國也按壓彎構件設計水平支撐， 但模型簡化規(guī)則如下：有立柱時，宜按空間框架計算；當豎向荷載較小時，可按連續(xù)梁計算，計算跨度可取相鄰立柱的中心距。

    日本的水平支撐繞強軸計算長度為相鄰立柱間距， 若無立柱， 則為支撐全長；中國的水平支撐繞強軸計算長度規(guī)則與日本相同。

    日本的水平支撐繞弱軸的計算長度有以下幾種情況：支撐兩端均為基坑側(cè)壁或立柱，計算長度為 l；支撐一端為基坑側(cè)壁或立柱， 另一端為垂直相交的水平支撐， 計算長度為1. 5l；支撐兩端均為垂直相交的水平支撐，計算長度為1. 5l。

    中國的水平支撐繞弱軸的計算長度規(guī)則如下：無水平支撐交匯， 取支撐實際長度；有水平支撐桿件交匯，取與支撐相交相鄰水平支撐桿中心距；水平支撐交匯點不在同一平面， 取與支撐相交的相鄰水平支撐桿件中心間距的1. 5 倍。

    日本的水平支撐溫度荷載取值為1t /℃；而中國的水平支撐溫度荷載按經(jīng)驗取值， 長度超過40m 的支撐考慮 的支撐內(nèi)力變化。

    2、4立柱設計方法對比

    日本將立柱簡化為軸壓構件；中國的模型簡化方法如下：當支撐體系按框架計算時， 將立柱簡化為偏心受壓構件；當支撐體系水平構件按連續(xù)梁計算時， 將立柱簡化為軸心受壓構件。

立柱計算長度

    日本的立柱計算長度如圖所示，中國的立柱計算長度規(guī)則如下：底層立柱計算長度 至基坑

底面的凈高度與立柱直徑或邊長的 5 倍之和；其他層立柱計算長度 2 層水平支撐間的中心距。

    與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土基坑支撐相比， 鋼結(jié)構支撐具有綠色環(huán)保 可重復利用 能快速形成剛度等優(yōu)點，并可通過與液壓千斤頂配套使用對支撐施加并實時調(diào)整預壓力。我國雖然對基坑鋼結(jié)構支撐的研究與應用開始較早，然而由于政策導向、材料與人力資源成本的原因， 鋼結(jié)構支撐并未得到大規(guī)模推廣應用。相反， 基坑鋼結(jié)構支撐在日本已發(fā)展為主要的基坑支撐形式。本文通過對比中國與日本的鋼結(jié)構支撐體系設計方法，明確了兩國設計方法的異同，為進一步研究與推進鋼結(jié)構支撐體系在我國的應用提供了參考。