装配式张弦梁钢支撑在某深基坑工程中的应用

2022-02-11谢卫兵郭海轮郑钊泽

广东土木与建筑 2022年1期

谢卫兵，郭海轮，郑钊泽

（深圳市建筑工程质量安全监督总站深圳 518034）

0 引言

“绿色低碳发展”是当代建筑行业发展的主题，深圳也一直在大力推进建筑领域的绿色低碳发展，推动建筑资源的循环利用，积极提高装配式建筑和绿色建筑的发展水平。基坑工程作为建筑中的一种临时性结构，在“装配式”结合“循环利用”上有很大的发展空间，装配式结构在基坑工程中已有广泛应用［1］。

钢支撑在基坑工程中的应用已经有数十年的历史，钢支撑可循环利用的特性与当代建筑绿色低碳发展的主题具有极高的契合度。但是传统的钢支撑主要以单钢管为主，在使用范围上有很大的限制，这大大制约了钢支撑的发展和应用，主要用于地铁、市政等宽度较小的基坑。

装配式张弦梁钢支撑从技术上解决了传统钢支撑的应用限制，已在江西、江苏、福建等多个地区成功应用［2-5］。深圳某科技大厦基坑工程是该系统在深圳地区的首次应用。

1 装配式张弦梁钢支撑的特点

1.1 系统结构组成

装配式预应力张弦梁钢支撑系统（见图1）由水平支撑结构和竖向支承结构等组成。

图1 系统组成平面Fig.1 System Composition Plan

1.2 桁架体系

桁架结构在上部空间结构中应用广泛［6］，装配式张弦梁钢支撑系统采用桁架体系，从根本上解决了传统钢支撑的整体平面外稳定性问题。如图2 所示，支撑主杆件采用格构式，采用横腹杆及斜腹杆保证桁架的整体稳定。

图2 桁架支撑Fig.2 Truss Support

1.3 张弦梁结构

张弦梁结构多用于上部大跨度空间结构［7-8］，装配式张弦梁钢支撑将张弦梁结构用于基坑内支撑体系来承担水平土压力，属于重载张弦梁结构［9］。装配式张弦梁钢支撑系统结合张弦梁结构，解决了支撑大跨度、大空间、强度弱的问题。典型案例如图3所示，张弦梁钢拉杆采用高强实心钢棒，强度高、刚度大，安全度高。

图3 装配式张弦梁钢支撑典型案例Fig.3 Typical Cases of Assembled Prestressed Beam String Steel Bracing System

张弦梁结构是一种自平衡体系［10］，装配式张弦梁钢支撑系统，整个结构体系受力明确：桁架只传递轴力，张弦梁拉杆只传递拉力，均不传递弯矩及剪力，可靠度高，受力简图如图4所示。

图4 张弦梁结构受力简图Fig.4 Stress Diagram of Beam String Structure

2 工程概况

深圳某科技大厦基坑工程位于深圳市南山区高新北区，周边有京港澳高速、南坪快速、北环大道、科技北三路、高新北一道等市政道路，交通便利。基坑侧壁主要土层为素填土、杂填土、黏土、砾质粘性土、全风化粗粒花岗岩等等，基坑底土层为砾质黏性土及全强风化岩。基坑支护结构安全等级为一级。

本项目设地下室3 层，基坑周长约293 m，开挖面积为4 852 m2，基坑深度约13.0～14.8 m。基坑周边存在密集市政管线，包括给水管、污水管、雨水管、电信管线、电力管线、燃气管线等等。

基坑采用咬合桩+2 道内支撑支护方案。原设计采用2 道钢筋混凝土内支撑，后变更为2 道装配式张弦梁钢支撑。第一道内支撑角撑采用钢筋混凝土支撑作为堆载平台及临时施工场地。基坑典型支护剖面如图5所示。

图5 典型支护剖面Fig.5 Typical Support Profile（mm）

3 方案分析

相比混凝土内支撑支护方案，张弦梁钢支撑可通过预应力的施加调节变形，在变形控制上更有优势。

3.1 支撑强度

本项目对撑组合型钢采用3HN800×300×14×26，承载力相比1.0 m×1.2 m 混凝土支撑梁（C30）提高20.5%。角撑采用4HN800×300×14×26，承载力相比1.0 m×1.2 m 混凝土支撑梁（C30）提高60.7%。钢支撑强度高，富余量大。桁架主杆件强度如表1所示。

表1 组合型钢强度参数Tab.1 Strength Parameter of Composite Section Steel

3.2 钢支撑的稳定性

采用桁架结构体系，稳定性强。本项目支撑桁架对撑长度最大48 m，钢支撑平面外（沿水平平面）稳定性系数0.982。桁架稳定系数如表2所示。

表2 标准桁架平面外稳定系数分析Tab.2 Analysis for Out of Plane Stability Factor of Standard Truss

平面外稳定系数不考虑立柱的侧向约束作用，安全储备高。

3.3 基坑变形

深圳某科技大厦基坑支护工程采用装配式张弦梁钢支撑，可有效减小围护结构变形。从而减小基坑开挖对周边环境的影响。

张弦梁钢支撑平面布置如图6⒜所示，原混凝土支撑方案平面布置如图6⒝所示。采用钢支撑，通过预应力的施加可有效控制变形，各剖面（见图6⒝）围护桩变形对照如表3所示。

表3 基坑围护结构变形对照Tab.3 Deformation comparison of Foundation Pit Retaining Structure

典型剖面围护桩内力位移包络图如图7所示。

图7 典型剖面围护桩内力位移包络图Fig.7 Envelope Diagram of Force and Displacement of Retaining Pile in Typical Section

4 施工要点

传统的钢支撑体系，围凛多采用钢围檩，钢围檩对设计及施工要求均极高，传统钢支撑体系的失稳，多为采用钢围檩所致［11-12］。装配式张弦梁钢支撑系统，冠（腰）梁采用钢筋混凝土结构，大大提高了系统的可靠度。装配式钢结构对施工精度控制要求较高，而钢筋混凝土结构现场施工往往较为粗放，装配式张弦梁钢支撑系统将钢结构的精细化与混凝土的粗放式有效结合，大大提高了现场施工的容错率，保证了系统的可靠度。

4.1 装配式张弦梁钢支撑的施工控制

装配式张弦梁钢支撑的所有钢构件，均采用工厂预制，并严格控制加工精度。钢构件出厂后，在项目现场安装前，均进行预拼装，确保构件均能顺利拼装、且拼装后的误差均在允许范围（见表4、表5）。

表4 张弦梁安装验收标准Tab.4 Acceptance Standard of Beam String Installation

表5 钢支撑安装验收标准Tab.5 Acceptance Standard of Steel Support Installation

4.2 钢支撑与混凝土冠（腰）梁的连接

钢支撑与混凝土冠（腰）梁的连接，既要保证传力可靠，又要保证施工方便，该节点的设置尤为重要。连接构造如图8所示，在原设计的基础上进行了改进，增加了前伸臂与冠（腰）梁的连接。

图8 钢支撑与混凝土冠（腰）梁连接节点Fig.8 Connection Joint of Steel Support and Concrete Crown（Waist）Beam

前伸臂的作用，一方面作为反牛腿搁置在冠（腰）梁上为钢支撑提供支点，采用前伸臂的构造措施，大大提高了钢支撑的安全度，可确保钢支撑不会偏移。另一方面，前伸臂通过预埋钢板与冠（腰）梁相连，可确保钢支撑的侧向稳定，并可传递冠（腰）梁与钢支撑间的拉力，有效解决了多道支撑施工过程中可能出现的首道支撑与周边围护整体协同问题。

钢支撑的端头与冠（腰）梁之间采用C60 灌浆料（3 d强度即可达C30）二次填充，即可保证钢支撑与混凝土冠（腰）梁紧密贴合、传力可靠，又大大提高了现场施工的容错率。二次灌浆料的厚度根据现场施工情况实时调整，在混凝土梁施工误差较大的情况下仍能与钢支撑有效结合。