装配式张弦梁钢支撑技术适用性研究

刘建鹏，王震，黄炜

（上海巨鲲科技有限公司，上海 200433）

0 引言

实现碳达峰、碳中和，是我国重大战略决策，是在新发展阶段推动高质量发展的必由之路。中国目前依然处在快速城市化的发展阶段，对城市土地利用率的要求越来越高，地下空间的开发利用也越来越充分，我国基坑工程逐渐向大深度、大面积方向发展。《“十四五”建筑业发展规划》提出要坚持创新驱动，绿色发展，推广绿色化，这对工程建设领域有关环境保护和绿色节能方面也提出了更高的要求。传统的支护技术已不能适应我国基坑工程的绿色发展需求。

张弦梁钢支撑技术就是在这种背景下产生的。针对传统钢支撑技术的不足进行升级改良，具有受力简单、支撑刚度大、安装精度高、高预应力、大跨度空间的优势，是一种安全、经济、绿色的新型装配式钢结构支撑技术。张弦梁钢支撑技术解决了传统钢管撑在大跨度时的稳定问题[1]，相比混凝土支撑，不仅能够有效控制基坑变形，而且能大大减小工期[2]，具有节能、高效、环保、可靠等特点[3]。

张弦梁钢支撑技术已在广东省、江西省、湖北省、湖南省、福建省、江苏省等全国各地实施，累计已经超过50 个项目，本文通过对各个地方项目的使用情况以及适用性进行归纳分析和总结，为后续工程项目的使用提供一些参考。

1 张弦梁钢支撑技术

张弦梁结构[4]一般用于有大跨度空间要求的建筑（会展/博览中心、动车站、机场等）或桥梁结构中，见图1。

图1 桥梁运用实例

基坑张弦梁钢支撑技术是将张弦梁结构运用到地下基坑支护领域中，达到提升基坑的有效开挖空间和减少支撑数量的目的。其主要由预应力张弦梁和预应力桁架钢支撑组成，见图2。

图2 张弦梁钢支撑平面示意图

1.1 张弦梁

如图3 所示，张弦梁能够给基坑带来开阔的空间，有利于节省工期和支撑用量，其由上弦梁、下弦杆、撑杆以及预应力施加装置等组成（图3 中，1 为上弦混凝土围檩；2 为下弦钢拉杆；3 为撑杆；4 为预应力施加装置；5 为支撑；6 为支架梁；7 为立柱）。由于上弦采用混凝土围檩和下弦采用钢拉杆，相比上弦采用钢围檩和下弦采用钢绞线，整体刚度及稳定性强，与基坑围护结构能够很好地结合；预应力施加通过顶升撑杆使张弦梁体系形成预应力，这种方式简单、高效、可靠。

图3 张弦梁平面示意图

1.2 桁架钢支撑

桁架钢支撑主要由格构式主撑、桁架腹杆、预应力施加装置组成（图4 中，1 为主撑；2 为横腹杆；3 为斜腹杆；4 为预应力施加装置；5 为钢筋混凝土围檩；6 为支架梁；7 为立柱）。桁架钢支撑通过桁架式的组合形式，大大增强了钢支撑的稳定性，更加适用于百米以上支撑长度的基坑，配上端头预应力，能很好地控制基坑的变形。

图4 钢桁架支撑示意图

1.3 受力原理

如图5 所示，土体作用在围护结构上的荷载，通过张弦梁的撑杆传递给钢拉杆，钢拉杆受拉，钢拉杆拉力传递给两边的支座，最终传递给两边的桁架。本质上张弦梁可以简化为一根梁，张弦梁范围内的荷载最终都会传递给两边的桁架钢支撑。

图5 张弦梁钢支撑受力原理

2 适用性研究

通过上述介绍可知，张弦梁钢支撑技术的一大特点是与混凝土围檩相结合。从设计受力角度来说，与基坑围护结构结合更加紧密，稳定性更强；从施工的角度来说，灵活性高，适用性更强。

2.1 设计施工适用性

2.1.1 设计适用性

张弦梁钢支撑可以根据不同的水平荷载来选用。其中张弦梁有各种不同的跨度规格，见表1，而桁架钢支撑的主撑可根据实际受力需要进行多根型钢组拼，见表2，这样张弦梁钢支撑能满足不同土层、不同深度的基坑的受荷要求。

表1 张弦梁承载力

表2 组合型钢H800 强度承载力

如图6 所示，主撑的标准构件单元由主撑型钢、主撑节点、端头调节节点、预应力施加装置、二次注浆、混凝土牛腿组成（规格见表3），通过“多个标准长度构件+非标准长度构件+混凝土牛腿”的组合设计方式，理论上能够满足任何尺寸的基坑。有如下公式：

表3 构件标准长度规格表

图6 主撑（对撑）标准构件单元

式中：L为支撑长度（m），混凝土牛腿之间的净距；n为标准长度型钢构件数量，为整数；f为非标准段长度（m）；c为两端混凝土牛腿总长度（m）；系数6 表示标准段长度6m；系数0.3 表示两端二次注浆总长0.3m；系数5 表示两端必要构件的总长5m。

若单根主撑过长时，可将主撑用腹杆连成桁架形式，桁架标准单元：长×宽=6m×7.5m（或5.5m），见图7。

图7 桁架标单元

对于基坑形状不规则的基坑，可通过与混凝土支撑相结合，通过混凝土找平，达到更好布置张弦梁钢支撑的目的。

如图8 所示，布心水围项目基坑周长545m，面积16 000m2，基坑尺寸约为135m×110m，基坑深度12.2～19.6m。采用两道张弦梁钢支撑方案，张弦梁跨度采用30m，最大型钢采用4 拼HN800×300×14×26。

图8 布心水围项目

如表4 所示，本项目最大的支撑长度77.917m，最小支撑长度为14.023m。通过“多个标准长度构件+非标准长度构件+混凝土牛腿”的组合设计方式，能达到毫米级匹配，保证了支撑构件在×各个项目上都能够重复利用。

表4 布心水围项目支撑长度

2.1.2 施工误差适用性

为了能很好地实现设计意图，钢支撑对于现场误差的适应性至关重要。表5 列出了施工阶段构件可调长度。

表5 构件可调长度表

由于围护结构现场施工会存在较大的误差，最大单边误差往往能达到±400mm。通过调整二次注浆和活络头，可调范围为 -100～200mm，若现场支撑长度变大，可配合使用1.3m 的端头调节节点，一端能调整的范围变为0～500mm。若支撑长度变短，可使用0.75m 或0.5m 端头调节节点，调整范围为-600～0mm，综上，支撑一端可调整范围为-600mm～500mm，完全能达到现场要求。若现场误差更大，则可通过调整非标准段。

对于张弦梁，整体上可根据上弦混凝土围檩的位置做相对调整，而细节上，钢拉杆可以调整范围为±100mm，方便调整长度来适应现场误差。

综上，张弦梁钢支撑无论是在设计阶段还是施工阶段均能达到毫米级的调整。

2.2 构件可复用率

张弦梁钢支撑构件分为可复用件和损耗件，可复用件是指能重复利用的构件，损耗件是指不可重复利用的构件（预埋件、焊接连接件等）。如图9 所示，通过各个项目的统计可知，张弦梁钢支撑的可复用件占比95%以上。可复用构件均采用螺栓连接，通过重复周转使用能达到很高的经济效益。

图9 各项目构件可复用率

3 应用情况

目前，装配式张弦梁钢支撑系统已在广东省、江西省、湖北省、湖南省、福建省等全国各地实施，累计超过50 个项目，累计减少建筑垃圾超过25 万t，累计减少碳排放超过5 万t，累计减少工期超过2 000d。

如图10～16 所示，对于已完成的项目中，张弦梁最大跨度达到36m；桁架支撑长度达到150m；基坑边离地铁最近约21m；离铁路最近约28m；离海岸线最近约32m；基坑最大深度达23m；厚淤泥土层：开挖深度16.7～18m，侧边淤泥厚度≥10m；加固项目。

图10 南昌十二中

表6 列举了几个项目基坑坑顶水平位移，从全国各地的使用情况和效果来看，张弦梁钢支撑技术被实践证明是安全可靠的。

表6 各项目变形情况

图11 联发中心

图12 中环赞城

图13 国际邮轮城

图14 紫竹1 号

图15 月美池

图16 某加固项目

4 结论

从全国各地的使用情况和效果来看，张弦梁钢支撑技术被实践证明是安全可靠的。

张弦梁钢支撑与混凝土围檩或支撑相结合，加上其积木式的组拼方式，配上长度调节件和混凝土牛腿适用于各种形状尺寸的基坑，装配适用性强；现场施工能达到毫米级的长度调节，适应误差能力强，灵活性高，安装速度快，能节省大量工期；张弦梁钢支撑的构件在项目之间的重复利用率能达到95%以上，经济性强，通过项目的周转具有较大的经济优势；张弦梁钢支撑是为了替换传统混凝土内支撑，并达到安全可靠、经济、绿色环保目的而开发的一种新型基坑支护技术，其适用范围：

（1）适用于宽大深基坑。

对撑、角撑采用桁架形式，稳定性强，承载力高，特别适用于支撑长度大的基坑，且端部均有预应力施加装置，能够有效控制基坑变形。

（2）适用于各种平面形状的基坑。

张弦梁钢支撑可以和混凝土支撑相结合，适配各种形状怪异的基坑。

（3）适用于工期要求高的基坑。

张弦梁钢支撑采用租赁模式，使用时间越短，费用越低。

（4）适用于周边环境对文明施工要求高的基坑。

张弦梁钢支撑安装拆除无噪音和扬尘污染，对周边环境影响很小。

（5）适用于加固项目。

张弦梁钢支撑设计施工灵活，也适用于对已施工的项目进行加固。

（6）钢支撑构件上不适合堆载或走车。

需要堆载或者走车，可将局部位置做混凝土支撑或采用栈桥的方式。