裝配式張弦梁鋼支撐技術(shù)適用性研究

劉建鵬，王震，黃煒

（上海巨鯤科技有限公司，上海 200433）

0 引言

實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，是我國(guó)重大戰(zhàn)略決策，是在新發(fā)展階段推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。中國(guó)目前依然處在快速城市化的發(fā)展階段，對(duì)城市土地利用率的要求越來(lái)越高，地下空間的開(kāi)發(fā)利用也越來(lái)越充分，我國(guó)基坑工程逐漸向大深度、大面積方向發(fā)展。《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出要堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，綠色發(fā)展，推廣綠色化，這對(duì)工程建設(shè)領(lǐng)域有關(guān)環(huán)境保護(hù)和綠色節(jié)能方面也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的支護(hù)技術(shù)已不能適應(yīng)我國(guó)基坑工程的綠色發(fā)展需求。

張弦梁鋼支撐技術(shù)就是在這種背景下產(chǎn)生的。針對(duì)傳統(tǒng)鋼支撐技術(shù)的不足進(jìn)行升級(jí)改良，具有受力簡(jiǎn)單、支撐剛度大、安裝精度高、高預(yù)應(yīng)力、大跨度空間的優(yōu)勢(shì)，是一種安全、經(jīng)濟(jì)、綠色的新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)支撐技術(shù)。張弦梁鋼支撐技術(shù)解決了傳統(tǒng)鋼管撐在大跨度時(shí)的穩(wěn)定問(wèn)題[1]，相比混凝土支撐，不僅能夠有效控制基坑變形，而且能大大減小工期[2]，具有節(jié)能、高效、環(huán)保、可靠等特點(diǎn)[3]。

張弦梁鋼支撐技術(shù)已在廣東省、江西省、湖北省、湖南省、福建省、江蘇省等全國(guó)各地實(shí)施，累計(jì)已經(jīng)超過(guò)50 個(gè)項(xiàng)目，本文通過(guò)對(duì)各個(gè)地方項(xiàng)目的使用情況以及適用性進(jìn)行歸納分析和總結(jié)，為后續(xù)工程項(xiàng)目的使用提供一些參考。

1 張弦梁鋼支撐技術(shù)

張弦梁結(jié)構(gòu)[4]一般用于有大跨度空間要求的建筑（會(huì)展/博覽中心、動(dòng)車站、機(jī)場(chǎng)等）或橋梁結(jié)構(gòu)中，見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁運(yùn)用實(shí)例

基坑張弦梁鋼支撐技術(shù)是將張弦梁結(jié)構(gòu)運(yùn)用到地下基坑支護(hù)領(lǐng)域中，達(dá)到提升基坑的有效開(kāi)挖空間和減少支撐數(shù)量的目的。其主要由預(yù)應(yīng)力張弦梁和預(yù)應(yīng)力桁架鋼支撐組成，見(jiàn)圖2。

圖2 張弦梁鋼支撐平面示意圖

1.1 張弦梁

如圖3 所示，張弦梁能夠給基坑帶來(lái)開(kāi)闊的空間，有利于節(jié)省工期和支撐用量，其由上弦梁、下弦桿、撐桿以及預(yù)應(yīng)力施加裝置等組成（圖3 中，1 為上弦混凝土圍檁；2 為下弦鋼拉桿；3 為撐桿；4 為預(yù)應(yīng)力施加裝置；5 為支撐；6 為支架梁；7 為立柱）。由于上弦采用混凝土圍檁和下弦采用鋼拉桿，相比上弦采用鋼圍檁和下弦采用鋼絞線，整體剛度及穩(wěn)定性強(qiáng)，與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠很好地結(jié)合；預(yù)應(yīng)力施加通過(guò)頂升撐桿使張弦梁體系形成預(yù)應(yīng)力，這種方式簡(jiǎn)單、高效、可靠。

圖3 張弦梁平面示意圖

1.2 桁架鋼支撐

桁架鋼支撐主要由格構(gòu)式主撐、桁架腹桿、預(yù)應(yīng)力施加裝置組成（圖4 中，1 為主撐；2 為橫腹桿；3 為斜腹桿；4 為預(yù)應(yīng)力施加裝置；5 為鋼筋混凝土圍檁；6 為支架梁；7 為立柱）。桁架鋼支撐通過(guò)桁架式的組合形式，大大增強(qiáng)了鋼支撐的穩(wěn)定性，更加適用于百米以上支撐長(zhǎng)度的基坑，配上端頭預(yù)應(yīng)力，能很好地控制基坑的變形。

圖4 鋼桁架支撐示意圖

1.3 受力原理

如圖5 所示，土體作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載，通過(guò)張弦梁的撐桿傳遞給鋼拉桿，鋼拉桿受拉，鋼拉桿拉力傳遞給兩邊的支座，最終傳遞給兩邊的桁架。本質(zhì)上張弦梁可以簡(jiǎn)化為一根梁，張弦梁范圍內(nèi)的荷載最終都會(huì)傳遞給兩邊的桁架鋼支撐。

圖5 張弦梁鋼支撐受力原理

2 適用性研究

通過(guò)上述介紹可知，張弦梁鋼支撐技術(shù)的一大特點(diǎn)是與混凝土圍檁相結(jié)合。從設(shè)計(jì)受力角度來(lái)說(shuō)，與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合更加緊密，穩(wěn)定性更強(qiáng)；從施工的角度來(lái)說(shuō)，靈活性高，適用性更強(qiáng)。

2.1 設(shè)計(jì)施工適用性

2.1.1 設(shè)計(jì)適用性

張弦梁鋼支撐可以根據(jù)不同的水平荷載來(lái)選用。其中張弦梁有各種不同的跨度規(guī)格，見(jiàn)表1，而桁架鋼支撐的主撐可根據(jù)實(shí)際受力需要進(jìn)行多根型鋼組拼，見(jiàn)表2，這樣張弦梁鋼支撐能滿足不同土層、不同深度的基坑的受荷要求。

表1 張弦梁承載力

表2 組合型鋼H800 強(qiáng)度承載力

如圖6 所示，主撐的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件單元由主撐型鋼、主撐節(jié)點(diǎn)、端頭調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)、預(yù)應(yīng)力施加裝置、二次注漿、混凝土牛腿組成（規(guī)格見(jiàn)表3），通過(guò)“多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度構(gòu)件+非標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度構(gòu)件+混凝土牛腿”的組合設(shè)計(jì)方式，理論上能夠滿足任何尺寸的基坑。有如下公式：

表3 構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度規(guī)格表

圖6 主撐（對(duì)撐）標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件單元

式中：L為支撐長(zhǎng)度（m），混凝土牛腿之間的凈距；n為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度型鋼構(gòu)件數(shù)量，為整數(shù)；f為非標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度（m）；c為兩端混凝土牛腿總長(zhǎng)度（m）；系數(shù)6 表示標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度6m；系數(shù)0.3 表示兩端二次注漿總長(zhǎng)0.3m；系數(shù)5 表示兩端必要構(gòu)件的總長(zhǎng)5m。

若單根主撐過(guò)長(zhǎng)時(shí)，可將主撐用腹桿連成桁架形式，桁架標(biāo)準(zhǔn)單元：長(zhǎng)×寬=6m×7.5m（或5.5m），見(jiàn)圖7。

圖7 桁架標(biāo)單元

對(duì)于基坑形狀不規(guī)則的基坑，可通過(guò)與混凝土支撐相結(jié)合，通過(guò)混凝土找平，達(dá)到更好布置張弦梁鋼支撐的目的。

如圖8 所示，布心水圍項(xiàng)目基坑周長(zhǎng)545m，面積16 000m2，基坑尺寸約為135m×110m，基坑深度12.2～19.6m。采用兩道張弦梁鋼支撐方案，張弦梁跨度采用30m，最大型鋼采用4 拼HN800×300×14×26。

圖8 布心水圍項(xiàng)目

如表4 所示，本項(xiàng)目最大的支撐長(zhǎng)度77.917m，最小支撐長(zhǎng)度為14.023m。通過(guò)“多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度構(gòu)件+非標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度構(gòu)件+混凝土牛腿”的組合設(shè)計(jì)方式，能達(dá)到毫米級(jí)匹配，保證了支撐構(gòu)件在×各個(gè)項(xiàng)目上都能夠重復(fù)利用。

表4 布心水圍項(xiàng)目支撐長(zhǎng)度

2.1.2 施工誤差適用性

為了能很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，鋼支撐對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)誤差的適應(yīng)性至關(guān)重要。表5 列出了施工階段構(gòu)件可調(diào)長(zhǎng)度。

表5 構(gòu)件可調(diào)長(zhǎng)度表

由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工會(huì)存在較大的誤差，最大單邊誤差往往能達(dá)到±400mm。通過(guò)調(diào)整二次注漿和活絡(luò)頭，可調(diào)范圍為 -100～200mm，若現(xiàn)場(chǎng)支撐長(zhǎng)度變大，可配合使用1.3m 的端頭調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)，一端能調(diào)整的范圍變?yōu)?～500mm。若支撐長(zhǎng)度變短，可使用0.75m 或0.5m 端頭調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)，調(diào)整范圍為-600～0mm，綜上，支撐一端可調(diào)整范圍為-600mm～500mm，完全能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)要求。若現(xiàn)場(chǎng)誤差更大，則可通過(guò)調(diào)整非標(biāo)準(zhǔn)段。

對(duì)于張弦梁，整體上可根據(jù)上弦混凝土圍檁的位置做相對(duì)調(diào)整，而細(xì)節(jié)上，鋼拉桿可以調(diào)整范圍為±100mm，方便調(diào)整長(zhǎng)度來(lái)適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)誤差。

綜上，張弦梁鋼支撐無(wú)論是在設(shè)計(jì)階段還是施工階段均能達(dá)到毫米級(jí)的調(diào)整。

2.2 構(gòu)件可復(fù)用率

張弦梁鋼支撐構(gòu)件分為可復(fù)用件和損耗件，可復(fù)用件是指能重復(fù)利用的構(gòu)件，損耗件是指不可重復(fù)利用的構(gòu)件（預(yù)埋件、焊接連接件等）。如圖9 所示，通過(guò)各個(gè)項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)可知，張弦梁鋼支撐的可復(fù)用件占比95%以上。可復(fù)用構(gòu)件均采用螺栓連接，通過(guò)重復(fù)周轉(zhuǎn)使用能達(dá)到很高的經(jīng)濟(jì)效益。

圖9 各項(xiàng)目構(gòu)件可復(fù)用率

3 應(yīng)用情況

目前，裝配式張弦梁鋼支撐系統(tǒng)已在廣東省、江西省、湖北省、湖南省、福建省等全國(guó)各地實(shí)施，累計(jì)超過(guò)50 個(gè)項(xiàng)目，累計(jì)減少建筑垃圾超過(guò)25 萬(wàn)t，累計(jì)減少碳排放超過(guò)5 萬(wàn)t，累計(jì)減少工期超過(guò)2 000d。

如圖10～16 所示，對(duì)于已完成的項(xiàng)目中，張弦梁最大跨度達(dá)到36m；桁架支撐長(zhǎng)度達(dá)到150m；基坑邊離地鐵最近約21m；離鐵路最近約28m；離海岸線最近約32m；基坑最大深度達(dá)23m；厚淤泥土層：開(kāi)挖深度16.7～18m，側(cè)邊淤泥厚度≥10m；加固項(xiàng)目。

圖10 南昌十二中

表6 列舉了幾個(gè)項(xiàng)目基坑坑頂水平位移，從全國(guó)各地的使用情況和效果來(lái)看，張弦梁鋼支撐技術(shù)被實(shí)踐證明是安全可靠的。

表6 各項(xiàng)目變形情況

圖11 聯(lián)發(fā)中心

圖12 中環(huán)贊城

圖13 國(guó)際郵輪城

圖14 紫竹1 號(hào)

圖15 月美池

圖16 某加固項(xiàng)目

4 結(jié)論

從全國(guó)各地的使用情況和效果來(lái)看，張弦梁鋼支撐技術(shù)被實(shí)踐證明是安全可靠的。

張弦梁鋼支撐與混凝土圍檁或支撐相結(jié)合，加上其積木式的組拼方式，配上長(zhǎng)度調(diào)節(jié)件和混凝土牛腿適用于各種形狀尺寸的基坑，裝配適用性強(qiáng)；現(xiàn)場(chǎng)施工能達(dá)到毫米級(jí)的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)，適應(yīng)誤差能力強(qiáng)，靈活性高，安裝速度快，能節(jié)省大量工期；張弦梁鋼支撐的構(gòu)件在項(xiàng)目之間的重復(fù)利用率能達(dá)到95%以上，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，通過(guò)項(xiàng)目的周轉(zhuǎn)具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)；張弦梁鋼支撐是為了替換傳統(tǒng)混凝土內(nèi)支撐，并達(dá)到安全可靠、經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保目的而開(kāi)發(fā)的一種新型基坑支護(hù)技術(shù)，其適用范圍：

（1）適用于寬大深基坑。

對(duì)撐、角撐采用桁架形式，穩(wěn)定性強(qiáng)，承載力高，特別適用于支撐長(zhǎng)度大的基坑，且端部均有預(yù)應(yīng)力施加裝置，能夠有效控制基坑變形。

（2）適用于各種平面形狀的基坑。

張弦梁鋼支撐可以和混凝土支撐相結(jié)合，適配各種形狀怪異的基坑。

（3）適用于工期要求高的基坑。

張弦梁鋼支撐采用租賃模式，使用時(shí)間越短，費(fèi)用越低。

（4）適用于周邊環(huán)境對(duì)文明施工要求高的基坑。

張弦梁鋼支撐安裝拆除無(wú)噪音和揚(yáng)塵污染，對(duì)周邊環(huán)境影響很小。

（5）適用于加固項(xiàng)目。

張弦梁鋼支撐設(shè)計(jì)施工靈活，也適用于對(duì)已施工的項(xiàng)目進(jìn)行加固。

（6）鋼支撐構(gòu)件上不適合堆載或走車。

需要堆載或者走車，可將局部位置做混凝土支撐或采用棧橋的方式。