张弦梁钢结构内支撑支护体系的技术应用

陈建山

(厦门市海沧区建设与交通工程质量安全站 福建厦门 361026)

0 引言

张弦梁结构(Beam String Structure，简称BSS)是一种预应力钢结构的自平衡结构体系，主要是由上弦(刚性压弯构件)、柔性拉索或钢拉杆及撑杆等组合而成的混合结构体系，同时也是混合结构体系发展中的一个成功创造。随着社会经济的发展，张弦梁结构体系在工程建设中发挥着越来越重要的作用，尤其在会展中心体、大型体育馆、交通枢纽站房等重要基础设施中得到广泛应用[1-2]。目前，已有不少学者对张弦梁的力学性能及稳定性进行了研究[3-5]，然而将其应用于支护结构中的研究还相对较少。本文针对张弦梁具有施工便捷、环境影响程度低、钢材可回收利用、稳定性好等优良特性，将其应用于内支撑支护的技术应用中，为工程建设提供参考。

1 工程概况

拟建项目位于厦门市海沧区。总建筑面积约5万m2，其中地上建筑面积约3.5万m2，地下建筑面积约1.5m2。为2栋15层和2栋25层住宅，1栋1层配电房及1处大1层门。结构类型为框架、剪力墙，主楼基础类型为冲孔灌注桩基础，地库为筏板基础，基坑深度9m，基坑占地面积88 840m2。

基坑采用(冲)钻孔灌注桩结合钢支撑及局部钢筋混凝土角撑进行支护，桩后采用高压旋喷桩止水，地下水控制采用降水井结合集水明排措施。具体概况如下：

(1)围护桩采用(冲)钻孔灌注桩，直径800mm，间距1200mm，桩长14.5m～16.5m。桩身混凝土强度等级为C30，充盈系数大于1.1，主筋保护层厚度不小于50mm，桩底沉渣厚度<100mm(立柱桩<50mm)。

(2)支撑立柱共30根，采用(冲)钻孔灌注桩上接型钢格构柱。支撑灌注桩桩径φ800mm，桩端全断面进入砂砾状强风化不少于2m，桩身混凝土强度等级为C30，桩底沉渣厚度≤50mm。立柱井字桁架由4×L140×14mm角钢和450×150×10mm钢缀板焊接而成，柱断面尺寸500mm×500mm，缀板间距450mm。

(3)止水帷幕采用双重管高压旋喷桩，直径700mm，桩间距1200mm，桩长11.5m～12m。

(4)钢筋混凝土角撑及混凝土牛腿混凝土强度等级为C35，截面尺寸有：1200×800mm(GL)、700×800mm(L1)。

(5)内支撑采用钢结构张弦梁支护系统。

2 张弦梁支护系统概况

钢结构内支撑采用张弦梁支护系统。各支撑构件及钢梁中心线标高同冠梁中心线标高，即钢结构内支撑中心线标高为+3.600m，构件截面参数如表1～表2所示。钢结构内支撑设计如图1～图3所示。

表1 钢支撑构件截面参数

表2 钢支架构件截面参数

图1 钢支撑平面布置图

图2 钢支撑结构详图

图3 钢支撑结构节点详图

3 工艺流程

基坑张弦梁钢结构支撑施工工艺流程，如图4所示。

图4 基坑张弦梁钢结构支撑施工工艺流程

4 施工方案

4.1 预应力钢支撑安装

平整一块场地用于钢支撑的模块安装，在平整场地上按设计施工图纸分模块进行安装；再将模块吊装至支架平台上相应位置进行模块拼装。考虑场地限制及进场顺序，拼装顺序如下：一号模块→二号模块→三号模块→四号模块→五号模块→六号模块。钢支撑模块分布如图5所示。

图5 钢支模块分布图

4.2 机械式千斤顶预应力施加

调节前准备工作：

(1)确定千斤顶旋转角度与伸长量之间的关系(伸长1mm需要旋转a度角)。

(2)确定现场千斤顶的调节方向，并做好记号便于后期施工。

(3)现场准备薄钢片，钢板等保证千斤顶与钢构件紧密挤压，千斤顶分组图如图6所示。

图6 钢支撑机械千斤顶分组图

支护系统顶紧(使构件之间紧密接触，传力有效)：

(1)张弦梁系统上第一组千斤顶同步缓慢旋转千斤顶a度，(稳定5min后)观测所有千斤顶对应位置的腰梁中心处位移。

(2)观测点位移达到1mm的位置千斤顶不再调整，其他位置千斤顶同步缓慢旋转(遵循以下原则：位移为0的旋转a度，有位移但不足1mm的按比例旋转相应角度(1-X)×a)；(稳定5min后)观测所有千斤顶对应位置的腰梁中心处位移。

(3)重复第2步直至所有二组的位移为1mm。

(4)所有千斤顶(同时)回旋a度角；(稳定5min后)观测所有三组千斤顶对应位置的腰梁中心处位移。

(5)以上4个步骤重复3次。

支护系统预应力施加：

(1)张弦梁系统上第一组千斤顶同步缓慢旋转千斤顶a度，(稳定5min后)观测相应控制点位移。

(2)重复第1步骤10次。

(3)观测点位移达到10mm的位置千斤顶不再调整，其他位置千斤顶同步缓慢旋转(遵循以下原则：按比例旋转相应角度(10-X)×a)；(稳定5min后)观测所有控制点位移。

(4)重复第3步使所有控制点处位移为10mm。

土方开挖过程中根据现场监测结果适时施加。每一次旋转千斤顶均要实时测量系统内力变化。

4.3 液压式千斤顶预应力施加

施加前准备工作：

(1)液压千斤顶STQ200T/100mm，电动油泵DZB1.5KW。

(2)现场各施加点准备好电源接线。

(3)准备钢楔子、钢尺、薄钢片，钢板等保证千斤顶与冠(腰)梁紧密挤压。

支护系统预应力施加：

液压式预应力施加点及荷载如图7所示，施加前先对液压仪表进行校核，具体施加步骤为：(1、1a)～(12、12a)成对同步施加点位处构件预应力。

图7 钢支撑液压千斤顶预应力施加点分布图

4.4 拆撑

拆撑原则：

换撑传力构件全部通过验收并收到拆除令后才能拆撑。拆撑时遵循“先装后拆”的原则，按安装方案逆序进行。

拆撑方案：

(1)在地下室楼板施工完毕并能提供刚度后开始换撑工作，待传力体施工验收完后开始逐步卸载以平稳过渡支撑体系。

(2)机械式预应力体系按千斤顶的最终位置与初始位置的差值分三级释放千斤顶。先释放1/3张弦梁上的第一组千斤顶；再释放1/3对撑上千斤顶。

(3)每一级在施工过程中也应缓慢地同步放松，并实时观测位移变化，根据调整千斤顶释放量。

(4)液压式预应力体系按预应力值释放后通过破除混凝土二次灌浆层进行支撑压力卸载。

(5)具体拆除流程：做拆除前准备，落实拆除支解点，拆除连接螺栓，割除连杆，释放轴力，每次拆除长度不超过10m，拆除过程中加强围护桩各项监测，根据监测情况调整拆除长度。

支撑体系拆除顺序：

(1)竖向拆撑施工顺序，所有钢支撑及钢托梁拆除完成后，方可进行钢格构柱拆除，拆除时由上而下，直到拆除完成。

(2)水平向拆撑顺序，如图8所示。①本工程拆撑工作由于主体结构分段施工，支撑采取分区分段拆除，拆除顺序按对角轴线顺序进行。①②平行施工→③④平行施工→⑤⑥平行施工。

图8 拆撑顺序

④支撑拆除大面上采用叉车支顶+汽车吊+塔吊外运方法。

先拆腹杆、张弦梁等较轻小构件，后拆主撑钢模块和托梁。待结构施工完成后，再拆除所有的换撑，气割拆除格构柱。

4.5 钢支撑安装、拆除及换撑需要解决的问题

(1)由于钢支撑的构件均为厂家加工好后，运送至现场，安装后，与牛腿无法完全顶紧，需要进行二次灌浆，厚度约20mm～100mm。

(2)张弦梁反牛腿部位的固定螺母，为避免被土掩埋，需要根据现场情况砌筑检查井，并预留拆除螺母的空间。

(3)为便于现场更好地掌握钢支撑受力情况，应尽量在每个大角设置钢支撑内应力监测设备。

(4)原设计换撑采用传力板，因地下室未施工完成，无法回填土方，施工完传力板，土方将无法回填，向设计院提出换撑方案修改，经设计验算，换撑采用传力柱，传力柱撑在支护桩跟负二层顶板上，原则上每根围护桩上一根传力柱，这样既保证了换撑受力要求，后续还能回填土方。

(5)为确保基坑支护力能更好地通过传力柱传递到主体构件，在施工传力柱前，要将围护桩上的杂物清理干净，并按照设计图纸要求设置钢筋。

(6)钢支撑拆除、吊装，钢支撑安装公司原计划采用叉车加吊车进行拆除，为避免破坏地下室负二层顶板，经过计算，支撑内力卸载完后，对钢支撑进行分段拆除吊装，最长不超过12m，卸载完内力的钢支撑架在原支撑钢梁上，吊车可以直接吊走，不需要叉车上板面配合拆除，能更好地保护楼板面。

5 监测

5.1 钢支撑内力检测情况

钢支撑内力检测情况如表3所示。

表3 钢支撑内力检测情况

通过内应力监测，可以看出不同的时间段，内力变化较大，特别是下午2点左右，内支撑内力值最大。每天的变化值偏差均在合理范围内。

5.2 基坑监测

(1)钢支撑拆除前，水平位移、垂直沉降、立柱沉降、钢支撑内力等监测数值均低于预警指标，基坑变形值在设计允许范围内，基坑整体稳定。钢支撑拆除前监测数据如表4所示。

表4 钢支撑拆除前监测数据

(2)钢支撑拆除过程，基坑变形较小，基坑变形值在设计允许范围内，基坑整体稳定。钢支撑拆除过程中监测数据如表5所示。

表5 钢支撑拆除过程中监测数据

(3)钢支撑拆除完成后，基坑变形值在设计允许范围内，基坑整体稳定。钢支撑拆除完成后监测数据如表6所示。

表6 钢支撑拆除完成后监测数据

6 结语

张弦梁钢结构内支撑支护体系凭借其施工便捷、构件循环再利用、环境影响程度低等特性，在本工程中已成功应用，并取得良好的工程效果，可为内支撑支护结构的施工提供新思路。

通过现场监测结果表明，施工过程中基坑的水平位移、垂直沉降、立柱沉降、钢支撑内力等监测数值在设计允许范围内，基坑整体稳定。因此，利用张弦梁结构支护体系，不仅能保证施工安全、质量，降低安全隐患，而且能提交工作效率，降低工程成本，加快施工进度，具有良好的应用前景。