张弦梁及组合型钢桁架支撑在基坑支护中的应用

第20卷第4期江苏建筑职业技术学院学报Vol.20№.42020年12月JIANGSU VOCATIONAL INSTITUTE OF ARCHITECTURAL TECHNOLOGY Dec.2020张弦梁及组合型钢桁架支撑在基坑支护中的应用
王爱民1,陈亚东2,陈卫国3,王琳4
(1.淮安市建筑设计研究院有限公司,江苏淮安223001;
2.淮阴工学院建筑工程学院,江苏淮安223001;
3.江苏三力岩土科技有限公司,江苏徐州221000;
4.江苏常安基础工程有限公司,江苏淮安223001)
摘 要:为了进一步发展和推广绿基坑支护技术,研发了一种大跨度张弦梁及组合型钢桁架基坑支护结构体系,通过与传统预应力鱼腹式钢支撑的对比分析,表明该支护结构体系具有节点构造简化、优化平面布置、增强支点刚度、提高整体稳定性和便于预应力施工等优点.大跨度张弦梁及组合型钢桁架支撑体系在徐州2018-23地块(中环赞城)基坑支护工程进行了推广应用,现场监测结果表明:该支护结构体系在基坑工程中具备安全性、可靠性和经济性.研究成果为今后大跨度张弦梁及组合型钢桁架基坑支护系统的设计提供借鉴.
关键词:张弦梁;型钢桁架支撑;基坑支护;预应力支撑
中图分类号:TU 753文献标志码:A文章编号:2095-3550(2020)04-0024-05Application of beam string and composite steel
truss support in foundation pit support
WANG Aiming1,CHEN Yadong2,CHEN Weiguo3,WANG Lin4
(1.Huai an Architectural Designand Research Institute Co.,Ltd,Huai an,Jiangsu 223001,China;2.School of Architectural Engineering,Huaiyin Institute of Technology,Huai an,Jiangsu 223001,China;3.Jiangsu Sanli Geotechnical Technology Co.,Ltd,Xuzhou,Jiangsu 221000,China;4.Jiangsu ChanganFoundation Engineering Co.,Ltd,Huai an,Jiangsu 223001,China)
Abstract:In order to further develop and promote the green foundation pit supporting technology,alarge-span beam string and composite steel truss foundation pit supporting structure system is developed.Through the comparative analysis with the traditional prestressed fish bellied steel support,it shows thatthe supporting structure system has the advantages of simplified node structure,optimized plane layout,enhanced support stiffness,improved overall stability and convenient prestressed construction.Thelarge-span beam string and composite steel truss support system has been widely used in the foundationpit support engineering of Xuzhou 2018-23plot(central zancheng).The field monitoring results showthat the support structure system has saf
ety,reliability and economy in the foundation pit engineering.The research results can provide reference for the design of large-span beam string and composite steeltruss foundation pit support system in the future.
Key words:beam string;steel truss support;foundation pit support;prestressed support
收稿日期:2020-09-12
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51408254);江苏省六大人才高峰资助项目(JZ-051)
作者简介:王爱民,男,江苏泗阳,高级工程师,国家一级注册结构工程师,主要从事结构工程、岩土工程设计工作.E-mail:2582620366@qq.com  日本大学斋藤公男教授在1979年国际薄壳与空间结构学会(IASS)的年会上明确提出张弦梁结构(Beam String Structure)的概念,定义“用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件而形成的自平衡体系”[1-3].由于张弦梁结构是自平衡体系,使得支撑结构的受力大为降低.张弦梁结构按受力特
点可以分
DOI:10.ki.jsjyxb.2020.04.005
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王爱民,等:张弦梁及组合型钢桁架支撑在基坑支护中的应用
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为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构[4-
5].平面张弦梁结构是指其结构构件位于同一平个面内,且以平面内受力为主的张弦梁结构.平面张弦梁结构根据上弦构件的形状可以分为直线型张弦梁、拱形张弦
梁和人字形张弦梁结构三种基本形式[6].
张弦梁结构体系简单、受力明确,具有承载力高、变形小、结构稳定性强的特点,以往多用于大跨度屋盖和
桥梁[7-8].
本文提出的大跨度现浇混凝土张弦梁及组合型钢桁架支撑支护体系,是江苏三力岩土科技有限公司根据张弦梁结构的受力原理,将张弦梁结构和组合型钢桁架支撑用于深基坑支护设计的一套新型支护结构体系.该支护结构体系由直线型张弦梁、直撑、斜撑、支架平台、预应力施加装置等组成,具有桁
架结构稳定性强、构件标准化加工生产、提供大跨度挖土空间、安装拆除快节省工期、重复性使用降低造价、无污染绿环保节能等特点,是一项用于地下空间施工的新型绿深基坑支护技术.
1 大跨度张弦梁结构
大跨度张弦梁为平面直线型张弦梁结构(如图1所示),一般跨度为24~36m.
直线型张弦梁(冠梁、腰梁)采用混凝土钢筋现浇梁,弦杆采用直径为150mm的高强度钢拉杆,腹杆根据受力采用不同直径的高强度钢压杆作为受拉的弦杆和受压的腹杆并采用销栓连接,弦杆两端分别埋入混凝土张弦梁内.在钢压杆与混凝土张弦梁连接的节点处采用千斤顶,通过对腹杆施加预应力到达自平衡一种结构体系
图1 张弦梁示意
Fig.1 Schematic diagram of beam string
2 组合型钢桁架支撑结构
组合型钢桁架支撑结构是由大截面的H型钢
(600×300×12×20)通过四周外伸端板以M20高强度螺栓连接,在一定的间距内采用槽型连接盖板通过高强度螺栓上下连接以形成大截面的双拼H型钢(如图2所示).
双拼H型钢在一定间距内用螺栓连接一个标准连接件.
标准连接件可以和横向系杆及斜杆进行连接以形成桁架式支撑.
桁架式支撑在与混凝土张弦梁连接处采用前伸臂结构,可以施加预应力.H型钢四周外伸端板的螺栓连接形成了刚性节点,达到了强节点的要求
图2 组合型钢桁架支撑结构
Fig.2 Composite steel truss supporting 
structure3 跨度张弦梁及组合型钢桁架支撑
体系的优势
大跨度现浇混凝土张弦梁及组合型钢桁架支撑体系,实际上是预应力鱼腹式基坑钢支撑和装配
式型钢组合支撑根据工程实践的技术改进[9-10].
与上述支撑技术相比,具有以下优点:
)增加弹性支点刚度系数.支撑体系独立分析时,需确定支撑体系的弹性支点刚度系数.预应力鱼腹式钢支撑支挡结构的弹性支点刚度系数为2~5MN/m2,
组合型钢支撑支挡结构的弹性支点刚度系数为2.5~3.5MN/m2[2]
,上述支撑结构对挡土结构变形的控制更多依赖于预应力的施加与复加.大跨度现浇混凝土张弦梁的弹性支点刚度系数一般为40MN/m2,
对支护结构的变形更为有利.2)增大腰梁截面模量及抗弯刚度.预应力鱼腹式钢支撑和组合型钢支撑体系中,组合型钢腰梁为H400×400的型钢组合,
组合截面的截面模量及抗弯刚度应按组合截面的抗剪连接程度进行折减,大跨度张弦梁采用现浇混凝土结构,截面模量及抗弯刚度可根据计算要求进行布置,具有较大的截面模
量及抗弯刚度.
)减小预应力损失.鱼腹梁的钢绞线在工程中会产生预应力损失、压实锚具而产生的锚固损失、松弛损失、内力产生的序次损失、摩擦损失、变形增大造成的预应力损失、温度变化引起的损失及张拉
系统引起的预应力损失等[1].
大跨度现浇混凝土张弦梁由直线型现浇混凝土张弦梁、钢拉杆和钢压杆组成,单根高强度钢拉杆设计荷载为11 500kN,相当于传统63根钢绞线承载力载值.
通过对大直径钢
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压杆直接施加预应力,有效减少了预应力损失.4)提高整体稳定性.预应力鱼腹式钢支撑体系在撑平面内稳定性计算中,应考虑立柱对其侧向约
束作用.采用换算长细比对组合对撑的长细比进行放大修正,以考虑盖板与支撑实际连接方式的不利影响.组合型钢支撑采用H400×400×12×21型钢,截面惯性矩ix和i
分别为66 600cm4、22 404cm4,通过盖板连接,没有形成平面内桁架.组合型钢桁架结构采用H600×200×12×20型钢,
截面惯性矩ix和i
分别为112 827cm4、9 009cm4.水平腹杆采用H600×200×12×20型钢,斜杆采用Ф351×12钢管形成平面桁架,两者相比,H600×200在X方向截面惯性矩为H400×400的两倍,显然前者在X方向的稳定性高于后者,虽然在Y方向前者向截面惯性矩为40%,但是在Y方向有水平系杆和斜杆形成平面内桁架,压杆的计算长度大大减小,稳定性提高.
5)优化平面布置.组合围檩或压顶梁上相邻支撑的水平净距一般不宜大于8m,对混凝土围檩或压顶梁不宜大于10m;组合型钢桁架结构由于采用自平衡张弦梁结构,每组桁架对撑的间距可达到与采用鱼腹梁的同等间距,增加了平面布置间距,方便土方开挖.
6)简化节点构造.鱼腹梁构造特殊且均为装配式,节点繁多,为了能有效保证荷载传递、避免局部失稳,鱼腹梁体系采取增加的超静定次数来增强抗连续倒塌性能和体系的冗余度,导致鱼腹梁必须加强构造要求.张弦梁结构的腹杆、弦杆均采用销接,受力明确,构造简单.
组合型钢支撑和预应力鱼腹式钢支撑杆件之间的连接节点均采用端板平齐螺栓连接的方式,当不能满足等强度连接时,采用翼缘增加连接板连接的方法,此连接方式在国家标准《钢结构设计标准》GB50017和《钢结构高强度螺栓连接技术规程》JGJ82没有明确的计算方法,因此此连接方式能否达到等强度连接有待商榷.组合型钢桁架支撑采用四周外伸加劲端板螺栓连接的方式,按《钢结构高强度螺栓连接技术规程》JGJ82的相关要求,节点连接为刚性连接,符合工程界的强节点连接的要求.张弦梁结构的腹杆和组合桁架支撑的端部都采取前伸臂结构与现浇混凝土梁的搭接,与传统的上挂下托形式相比,解决了端部沉降而失去稳定的问题,也方便预应力的施加和复加.
7)方便预应力施加.鱼腹梁钢绞线在实际工程中造成多方面的预应力损失,因此,设计时预应力
鱼腹梁钢绞线应选用低松弛高强度钢绞线,增加减摩措施,采取分级张拉、补偿张拉外,还应按计算
的钢绞线拉力乘以1.1倍放大系数,以弥补预应力损失.导致鱼腹梁钢绞线较多,施工张拉时候困难.大跨度现浇混凝土张弦梁由直线型现浇混凝土梁、钢拉杆和钢压杆及组成,张弦梁结构的腹杆和组合桁架支撑的端部都采取前伸臂结构与现浇混凝土梁的搭接,直接在受压腹杆和双拼H型钢端板施加预应力,方便预应力的施加和复加.
4 基坑支护工程的应用
4.1 工程概况
工程位于徐州市鼓楼区铜沛街道、二环北路南侧、苏堤北路西侧.建筑物主要为2栋17层的商办楼及2层整体地下车库.基坑开挖深度为7.40~8.80m,基抗周长约480m,开挖面积约10 144m2,基坑设计等级为甲级.
4.2 周边环境与工程地质
工程的东侧为苏堤北路,地下室轮廓线距用地红线约1.66~26.2m;南侧为空地,地下室轮廓线距用地红线约2.92~3.05m,红线外为29.08m为海铁路线;西侧为空地,地下室轮线距用地红线约2.31m,红线外无其他建筑物;北侧为二环北路,地下室轮廓线距用地红线约3.09~4.32m,距二环北路道路边约15.21~15.61m;北侧二环北路人行道下埋
设有相关市政管线、南侧用地红线外空地理设有相关管线.岩土工程勘察报告将基坑范围内土层共划分为11大层及1个夹层,各土层物理力学参数见表1.
表1 土层物理力学参数
Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layer
层号
土层
名称
厚度/
重度/
(kN·m3)
直剪快剪
c/kPaφ/(°)
固结快剪
c/kPaφ/(°)1杂填土2.09(18.0)(5.0)(25)(8.0)(30.0)2-1粉土3.69 19.08 7.0 24.8 7.3 28.1
2-1
粉质
黏土2.31 18.28 12.0 8.5 14.5 11.2
2-2粉土3.16 18.96 7.4 26.5 6.9 28.5
2-3粉土3.82 19.08 7.8 26.8 6.5 29.2
2-4黏土1.43 18.53 17.0 7.4 32.8 12.2
2-5粉土1.23 19.19 7.4 27.2 6.2 29.1
3-1黏土2.28 19.33 35.7 9.3 42.4 14.6
3-2黏土7.31 19.61 58.1 14.1 59.5 15.8
3-3
粉质
黏土3.51 19.77 50.0 14.7 49.5 16.5
3-4
粉质
黏土
/19.47 67.2 14.8(72.8)(17.6)场地内地下水类型为第四系孔隙潜水和孔隙承压水.孔隙潜水主要赋存于场地浅部填土及粉土中,孔隙承压水主要赋存于下部2-5层粉土中.孔隙承压
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水以其间的黏性土层为相对隔水层.勘察期间测得孔隙潜水初见水位埋深量小值为1.50m,标高为39.54m,稳定水位埋深量小值为2.25m,标高为38.844m.4.3 支护设计
在基坑支护方案阶段,对常用的混凝土支撑、传统的组合钢支撑、张弦梁及组合型钢桁架支撑等多种支撑方案进行了方案比选.在造价方面,混凝土支撑为1,传统的组合钢支撑为0.8,张弦梁及组合型钢桁架支撑为0.67;在土方开挖效率方面,混凝土支撑为1,传统的组合钢支撑为1.2,张弦梁及组合型钢桁架支撑为1.4;在土方开挖效率方面,混凝土支撑为1,传统的组合钢支撑为1.15,张弦梁及组合型钢桁架支撑为1.30;综合考虑采用支护方案为SMW工法桩+大跨度张弦梁结构+一道组合型钢
桁架结构内支撑体系(图3).SMW工法桩采用Ф850@600三轴搅拌桩内插入700×300×12×24的H型钢,型钢长度16.0~19.0m,间距1.2m;大跨度现浇混凝土张弦梁结构跨度为24m、30m两种
图3 基坑支护方案
Fig.3 Foundation p
it support scheme截面为1 200×800mm,混凝土强度等级C30,腹杆间距6.0m;组合型钢桁架支撑采用H600×
300×12×20的双拼型钢,桁架间距8.5m,水平腹杆采用H600×200×12×20型钢;
斜杆采用Ф
351×12的钢管;立柱采用直径为Ф800mm钻孔灌注桩内插4L140×12角组成的420×420格构柱,间距1.2m,横梁为H500×200×10×16的型钢(如图4所示).计算采用的程序为理正基坑计算软件(版本为7.0PB5),钢结构内支计算采用SAP2000软件.4.4 监测结果分析
现场实测数据表明,基坑开挖后桩顶水平位移,周边地表、道路的沉降满足设计和规范要求.各项基坑变形控制指标均在规范允许范围内,基坑开挖期间未发生风险报警提醒
图4 支护结构现场Fig.4 Supp
ort structure site1)基坑沉降曲线.本工程采用SAP2000v21.0.2计算,以冠梁最大位移30mm为控制值,监测结果如图5所示.在冠梁处选取了8个控制节点,在组合三1.0×恒载+1.0×预应力荷载+1.0×土压力+1.0×活载及组合四1.0×恒载+1.0×预应力荷载+1.0×土压力+1.0×升温荷载+1.0×活载的情况下,各组合工况下冠梁最大位移为第三组合节点序号14,位移为19.7mm<30mm,满足位移控制要求
图5 基坑沉降监测点累计沉降变化曲线
Fig
.5 Cumulative settlement variation curve of foundationpit settlement monitoring 
points2
)桩顶水平位移曲线.本工程基坑设计等级为二级,按《建筑基坑工程监测技术标准》GB50497—2019中表8.0.4型钢水泥土围护墙顶部水平位移监测预警值为40mm,监测结果如图6所示.实际测得的水平位移为37.5mm,
满足标准的要求.3
)周边管线沉降曲线.按《建筑基坑工程监测技术标准》GB50497—2019中表8.0.5基坑工程周边环境刚性压力管道监测预警值为20mm,监测结果如图7所示.周边管线的沉降实际测得最大值为13mm,
满足标准的要求.
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图6 水平位移监测点累计位移变化曲线
Fig.6 Cumulative displacement variation curve of horizontaldisplacement monitoring 
point
s图7 管线沉降监测点累计沉降变化曲线Fig
.7 Cumulative settlement variation curve ofpipeline settlement monitoring 
points4
)周边建筑物沉降曲线.按《建筑基坑工程监测技术标准》GB50497—2019中表8.0.5基坑工程周边环境邻近建筑物位移的要求,监测结果如图8所示.周边建筑物沉降实际测得最大值为12mm,满足标准的要求
图8 周边建筑物监测点沉降变化曲线Fig.8 Settlement variation curve of surrounding
buildings monitoring 
points5 结论
采用张弦梁及型钢桁架支撑较现浇混凝土支撑和传统钢支撑的综合效率有较大提高,张弦梁钢支撑有明显优势,而且大跨度张弦梁提供的作业面,其无支撑作业面占比达70%,极大提高了土建施工的效率,降低了施工成本,缩短了工期;张弦梁钢支撑拆除与传统的混凝土支撑相比具有明显的优势,拆除过程快捷、无二次污染物
遗留.参考文献:
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(责任编辑:梁赛平)

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