预应力张弦梁钢支撑在某基坑工程中的应用

2024-02-20张小芳程磊王贤能莫莉

广东建材 2024年2期

张小芳程磊王贤能莫莉

（深圳市工勘岩土集团有限公司）

基坑支护系统中的内支撑，一般分为混凝土支撑和钢支撑。混凝土支撑刚度大，支撑间距较大，但施工工期较长[1]。传统钢支撑的施工速度快，但刚度低，支撑间距较密，支撑间距往往达不到15m，这样的空间明显不利于土方的开挖和地下室的施工。张弦梁钢支撑系统能够在确保基坑周边安全和合理变形值的情况下，加大支撑间距以获得更大的地下施工空间，能缩短工期又满足日益增长的环保要求。张弦梁的结构刚度大，基坑变形小，支撑间距大，撑间净距目前最大可达42m，具有可回收重复使用的优点，土方开挖空间大，且在控制支护体变形时可预加力、补偿加力，因此在基坑支护工程中有较好的应用前景[2]。

近年来，随着“绿色低碳环保”的发展理念日益渗入，建筑行业也在寻求实现绿色发展的可行模式。而在基坑工程的开挖过程中，混凝土支撑在满足布置灵活、刚度大、整体性好的同时，也带来碳排放量较高、施工噪音较大、扬尘不可避免的环保问题；张弦梁钢支撑系统采用预制构件，构件受力明确，安全性能好[3]，且具有构件可回收重复利用、施工噪音小、无扬尘的优点，契合了“绿色低碳环保”的发展理念。目前已在福建省、江西省、广东省、江苏省等地区有多个成功的应用案例[4]。

1 预应力张弦梁钢支撑的特点

1.1 钢支撑系统

张弦梁钢支撑系统由张弦梁系统、桁架支撑系统、预应力施加系统和支架系统组成。主要包括混凝土冠梁/腰梁、张弦梁、桁架对撑、桁架角撑、预应力施加装置等水平支撑结构和支架梁、立柱、约束构件等竖向支撑结构。

如图1 所示，张弦梁钢支撑系统利用张弦梁大跨度承受横向荷载的结构特性，与桁架钢支撑的大刚度性能相结合，具备了大跨度、大刚度的优势，整个系统的支撑构件数量也远少于传统支护系统，优化了施工空间。

图1 张弦梁钢支撑基坑系统构造示意图

1.2 张弦梁系统

张弦梁支护系统以钢筋混凝土冠梁/腰梁为上弦构件，属于刚性构件；下弦以实心钢拉杆为拉索，属于柔性构件；腹杆为带活络头的钢支撑。如图2 所示，张弦梁系统的受力原理为：钢拉杆锚入混凝土冠梁或腰梁进行锁定，通过腹杆活络头的千斤顶给钢拉杆施加拉力，使混凝土冠梁或腰梁形成反挠度，以此构成张弦梁的自平衡受力体系。

图2 张弦梁受力体系示意图

1.3 张弦梁在基坑工程应用的优点

张弦梁钢支撑系统在深基坑工程中的应用是比较成功的，目前仅在深圳地区10m 以上的基坑就有多个工程应用实例，且各项指标均能达到其使用效果，充分发挥了张弦梁钢支撑的优点与适用性，使其在“绿色低碳环保”的趋势下得以迅速推广。

1.3.1 结构体系受力简单

张弦梁钢支撑系统的结构组件较为精简，能充分发挥刚柔两种材料的优势[5]，利用混凝土梁作为上弦构件，下弦采用实心钢拉杆，腹杆、弦杆均采用销接，受力明确，构造简单[6]，提高了施工安装效率，缩短安装工期。此外，装配式张弦梁钢支撑系统没有冗余构件，可有效减少支撑立柱的数量，为基坑开挖提供较大空间，开挖工期可缩短至30%及以上，进一步提高施工效率。

1.3.2 桁架支撑系统的安全性

张弦梁钢支撑系统的桁架支撑系统一般采用H588×300～H800×300 的型钢型号，H 型钢的上下翼板均设置间距不超过3m 的缀板，提高了桁架支撑平面的截面模量，压屈性能也随之提高，保证了桁架支撑系统的大刚度，组装完成后每榀对撑/角撑桁架的宽度在7.8m～8m之间，可承受4000～5500T的压力。当张弦梁钢支撑系统跨度内的土压力传递到桁架支撑系统（对撑/角撑）时，支撑系统再将土压力向基坑两边抵消[1]，桁架支撑系统的大刚度为整个张弦梁钢支撑系统的自平衡体系提供了安全性和可靠性。

1.3.3 预应力施加及实时监测

张弦梁钢支撑系统在基坑工程中，在腹杆和组合桁架支撑的端部采取前伸臂结构与现浇筑混凝土梁的活络头搭接，直接在受压腹杆和H 型钢端部用千斤顶施加预应力，在支撑梁进行轴力监测，预应力大小可精准控制；并设置多点加力，使系统构件受力分布均匀。由于张弦梁结构的对称性，一般施加预应力时先按张弦梁左右对称的两根腹杆成对同步施加相同大小的预应力，再成对施加对撑预应力[7]，使其受力系统达到自平衡。张弦梁钢支撑系统在立柱上进行竖向位移监测，能实时预警，对支护结构和周边环境的保护对象及时采取措施。

1.3.4 实现绿色低碳环保的施工理念

钢支撑在基坑工程中的应用已有数十年的历史，近年来钢支撑可循环利用的特性也使其在绿色低碳发展的趋势下得到广泛认可。张弦梁钢支撑系统的型钢材料目前主要为特制改进过的预制构件，现场安装效率高，无扬尘，噪音小；张弦梁预制构件在支撑布局的合理设计下，能比同类钢支撑的用钢量大幅减少，且张弦梁在拆撑后可回收重复利用，实现了现代施工的绿色、低碳、环保的施工理念。

2 预应力张弦梁钢支撑的受力分析

2.1 张弦梁钢支撑的受力分析

张弦梁的受力体系通常是对下弦拉索施加预应力，通过撑杆对上部刚性构件产生竖向支撑力，改善上部构件的内力幅值与分布，减小了由外荷载产生的内力和变形。张弦梁是典型的刚、柔并存结构，不仅充分利用了拉索的高强度性能，且通过带预应力的拉索改变结构的受力性能。且张弦梁的加力状态比较具有独特性，是采用直杆多点加力的加力形式，使杆件受力分布更均匀。

如图3 所示，当基坑达到稳定平衡状态时，上弦杆所受内力主要是弯矩、剪力和压力，下弦杆主要承受拉力，中间直杆主要承受的是压力[2]。

图3 张弦梁受力简图

2.2 预应力张弦梁的受力分析

如前所述，张弦梁钢支撑的预应力是通过腹杆靠近上弦混凝土梁的端部千斤顶进行施加的。如图4 所示，当基坑开挖时，土压力使张弦梁的上弦构件受到一定的压应力、弯矩和剪应力，而下弦构件能够将上弦、腹杆传递给它的力抵消到梁的两端，由此与土压力制衡，形成自平衡体系，从而有效控制基坑变形和内力分布。

图4 预应力张弦梁在土压力下的受力简图

3 基坑工程应用实例

3.1 工程概况

某基坑场地位于深圳市光明区公明中心区，如图5所示，基坑处于公明北环大道和曙光路交汇处，东北面邻近龙大高速路，交通便利。基坑侧壁主要土层为素填土、杂填土、黏土、淤泥质黏性土、粗砂、淤泥质中砂、粉质黏土、全风化泥质粉砂岩等，基坑底土层为淤泥质黏性土及全强风化岩。

图5 基坑支护结构现场及周边环境

本基坑地下室呈多边形，拟建2 层地下室，基坑总周长约570m，基坑平面面积约14780m2，基坑开挖深度约9.1～10.1m。基坑周边环境较复杂，基坑周边埋设有燃气管、通信管线、电力管线、雨水管、污水管等管线；东侧、北侧均临近市政道路，西南侧临近厂房，基坑边线距离建筑物轮廓线约3.1～6.5m。

3.2 支护方案对比

本基坑原设计方案为混凝土内支撑支护，采用咬合桩+钢筋混凝土内支撑。结合基坑场地的地质条件、周边环境、工期造价等因素，将混凝土内支撑方案与张弦梁钢支撑支护方案进行对比，造价方面张弦梁钢支撑方案为混凝土内支撑方案的68%；地质条件下伏基岩为花岗岩，硬度大，张弦梁钢支撑的土方开挖效率比混凝土内支撑方案提高了30%。如表1 所示，对混凝土内支撑方案与张弦梁钢支撑方案进行对比，可以看出张弦梁钢支撑方案在安装工期、安全性能、施工空间和绿色环保方面均有一定优势。

表1 支护方案对比分析

预应力张弦梁钢支撑系统的基坑布置剖面如图6所示，原设计的混凝土内支撑方案如图7 所示。通过张弦梁大跨度承受横向荷载的结构特性，使整个系统的支撑构件数量远少于传统支护系统，优化了施工空间。

图6 张弦梁钢支撑方案平面图

图7 混凝土支撑方案平面图

综合考虑，结合场地周边环境，该基坑项目西北角尺寸较小，采用钢筋混凝土支撑，其余区段均采用预应力张弦梁钢支撑结构。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8所示。

图8 基坑支护剖面图

3.3 支撑截面信息

本基坑项目的对撑组合型钢采用2HN800×300×14×26，承载力相比1.0m×1.2m 混凝土支撑梁（C30）提高21.3%。角撑型钢采用2～3HN800×300×14×26，承载力相比1.0m×1.2m 混凝土支撑梁（C30）提高53.6%。如表2 所示，张弦梁的腹杆采用RST350×400×14×14的钢撑杆，下弦采用φ150 的Q650 高强拉杆，整个钢支撑系统刚度大，性能稳定。

表2 张弦梁钢支撑构件截面表

3.4 张弦梁钢支撑轴力监测

与系杆拱、鱼腹桁架相比，张弦梁钢支撑结构最主要的特征是：利用施加的预应力控制上弦受弯构件的弯矩分布，以抵消基坑开挖施加在混凝土冠梁（上弦）的位移变形量，因此对张弦梁钢支撑的轴力进行实时监测，能够达到有效控制基坑变形的目的。

根据计算得到基坑开挖至张弦梁钢支撑施工平面时混凝土冠梁（上弦）的最大位移值，以消除冠梁上的位移为目标来分析确定预应力钢支撑的预应力施加值，第一工况为考虑施加预应力至抵消最大位移值所确定预应力施加值；第二工况为基坑开挖下土压力荷载分布的工况，第三工况为考虑季节、昼夜温差对结构的影响。通过施工过程的分析，定义四个组合来计算分析钢支撑的刚度、强度和稳定性及基坑变形。

组合一：1.30*恒载+1.0*预应力荷载+1.25*土压力+1.5*0.9活载

组合二：1.30*恒载+1.0*预应力荷载+1.25*土压力+1.0*升温荷载+1.5*0.9活载

组合三：1.0*恒载+1.0*预应力荷载+1.0*土压力+1.0*活载

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

上述组合中，组合一及组合二用于验算钢支撑的强度和稳定，组合三至组合四用于控制基坑变形[8]。根据上述组合分别计算钢结构的构件内力值，当基坑开挖到设计标高时，根据组合三和四来验算钢结构的构件内力值，其最大值和最小值如表3所示。

表3 钢支撑单元的轴力计算结果

根据本基坑项目现场布置的张弦梁钢支撑轴力监测点，得到钢支撑构件所受轴力随时间的曲线变化（图9），可以看到随着昼夜温度的变化，钢支撑构件的轴力分布呈现周期性的升降规律，且最小值和最大值维持在一个固定值内，与计算结果相吻合。

图9 张弦梁钢支撑轴力监测点变化曲线

3.5 基坑变形监测

本项目布置了基坑位移监测控制点和内力监测控制点，施工过程中实时监测基坑位移变化，并保证施工过程中基坑最大位移在30mm 范围内。本次选取部分基坑监测点进行研究，选取的监测点布置如图10所示。

图10 基坑监测点布置平面图

⑴基坑沉降曲线。本基坑项目以冠梁最大位移30mm为控制值，在冠梁处选取7 个控制监测点，监测结果如图11 所示，可以看到冠梁最大位移为9.6mm（要求＜30mm），满足位移控制要求。

图11 基坑沉降监测点累计沉降变化曲线

⑵桩顶水平位移曲线。本基坑项目西南侧基坑安全等级为一级，其余侧基坑安全等级为二级，要求桩顶部水平位移监测预警值在30mm以内，监测结果如图12，实际测得的水平位移为23.2mm，符合位移控制要求。

图12 桩顶水平位移累计沉降变化曲线

⑶周边建筑沉降曲线。基坑工程周边建筑物重要角点监测预警值为30mm，监测结果如图13。周边管线的沉降实际测得最大值为11.6mm，满足位移控制要求。

图13 建筑物沉降监测点累计沉降变化曲线

4 张弦梁钢支撑在基坑工程中应注意的问题

如前所述，张弦梁钢支撑系统在基坑工程应用中有诸多优点，但同时也需了解其在基坑工程应用中应注意的问题，才能更好地扬长避短，使张弦梁钢支撑支护系统在基坑工程中最大限度地发挥它的优势。

4.1 弦高比

目前张弦梁钢支撑的跨度最大可达42m，从结构力学角度分析，张弦梁作为一种平面梁式结构，其主要受力特点是抗弯能力，抵抗弯矩的大小与张弦梁的弦高比有关，也是发挥其经济性能的重要指标。弦高比越高，经济性能越高，基坑开挖空间也相应越大，但张弦梁的变形值须满足基坑等级相对应的容许变形值，目前兼顾变形指标和经济性能的张弦梁弦高比为3～5。

4.2 支撑构件的选取与安装节点的处理

传统钢支撑结构多采用钢围檩，端头钢围檩与围护结构间抗剪强度不足，容易造成围檩整体滑动，以致基坑失稳。张弦梁钢支撑组合系统一般采用混凝土冠梁作为上弦构件，充分发挥混凝土的抗弯刚度，能与下弦的张弦梁钢支撑结构组合形成可靠的受力系统。安装节点处一般采用前伸臂，作为反牛腿搁置在冠梁上为钢支撑提供支点，提高钢支撑的安全度。安装时，待张弦梁撑杆、钢拉杆安装就位且边杆角度复核无误后，再采用C60 混凝土进行二次灌浆施工，保证混凝土冠梁与钢支撑的紧密结合，提高整个刚柔体系的强度和可靠性。

4.3 杆件重心水平标高控制

平面张弦梁的下弦拉索水平拉力由上弦梁受压平衡，故竖向荷载（土压力）作用下，张弦梁结构只传递竖向力给下部支撑结构，并不传递水平力[9]，因此张弦梁钢支撑的大刚度、施工的简单方便性是建立在构件受力明确的基础上的，这就要求各杆件在水平标高应严格控制在一定范围值内，才能使杆件预应力与基坑开挖形成的土压力形成互相抵消的自平衡体系，否则张弦梁支撑体系会产生很大的次弯矩，会引起张弦梁钢支撑失稳甚至破坏。

4.4 张弦梁预应力的取值与加力形式

如前所述，张弦梁钢支撑施加预应力的作用是抵消土压力线荷载作用下产生的弯矩，使结构形成反挠度。但是预应力过大会使拱梁产生额外的轴向压力，对用钢量也有更多要求；预应力过小则会让弦索失去拉力而使撑杆失效，因此预应力的取值是张弦梁钢支撑系统保持良性工作状态的关键[10]。目前在方案阶段一般考虑结构自重、张弦梁的弦高比等因素综合确定张弦梁钢支撑的初始预应力施加值[11]，当基坑开挖到一定深度时还需考虑土压力线荷载作用下的预应力附加值。此外，预应力的施加也应采用多点加力、对称加力，千斤顶通常设置在腹杆端部，使构件加力均匀；以张弦梁中心线为对称轴进行对称加力，可以保证张弦梁自平衡系统的稳定性，对结构杆件保持水平高度一致性也有保护作用。