裝配式型鋼內支撐穩定性設計

劉發前

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

裝配式型鋼內支撐穩定性設計

劉發前

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

基坑工程的內支撐通常采用鋼筋混凝土結構、鋼結構和木結構。相比于鋼筋混凝土支撐，鋼支撐的材料強度高，可循環利用，建筑垃圾少，更加符合綠色環保的設計理念。然而，在深、大基坑中，鋼支撐的間距需布置較密以滿足強度條件和穩定性要求，這給土方開挖（尤其垂直運輸）帶來了很大困難。將型鋼支撐拼接為一格構式整體構件，是一種代表性的處理方式。基于現行《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003），研究大跨度基坑中裝配式型鋼內支撐的穩定性設計，給出整體穩定性、單肢穩定性的分析方法，形成供科研、設計參考的計算流程。

基坑；支撐；裝配式；格構式；穩定性

1 概述

基坑工程正向深度大、跨度大、形狀不規則、環境要求高、施工速度快、綠色環保無污染的方向快速發展，支護系統的結構型式亦更加靈活多樣，如預應力裝配式魚腹梁內支撐系統[1-3]。該支護系統已經經歷了數年的發展，積累了豐富的經驗，并據此正在編制相應的規程[4]。該種支撐的主要特點是完全采用預應力裝配式型鋼結構體代替原來密布的單肢型鋼，中間夾以預應力魚腹梁，實現增大支撐（裝配式型鋼支撐）間距離，便于土方開挖。

目前為止，裝配式型鋼支撐的最大長度達120 m以上，實測資料亦表明基坑變形控制良好。然而，針對裝配式型鋼內支撐，其規范的設計方法尚待進一步研究。支撐系統的設計應考慮強度、穩定性兩方面，且多數情況下穩定性控制起主導作用。根據《材料力學》[5]，支撐的臨界荷載可用歐拉公式計算，且需根據支撐兩端約束情況選擇合理的計算長度，最終可得出支撐在穩定極限條件下荷載與長細比的關系。因此，為方便計算與控制，國家和各地方規范均對支撐計算長度（或長細比）有較為明確的規定。如國家規范[6，7]和南京地區規范[8]認為支撐的計算長度按照其實際長度或立柱中心間距確定；廣東地區規范[9]的要求基本與國家規范類似，并強調鋼筋混凝土支撐的長細比不超過80，型鋼支撐結構的長細比不超過150；上海規范[10]要求鋼筋混凝土支撐在豎向平面內的計算長度取其全長（未設立柱）或立柱中心距，鋼支撐應取上述長度的1.2倍，橫向平面內宜參照豎向平面情況確定。陳紹蕃[11]提出了工形截面和T形截面構件受彎屈曲時的穩定系數簡化公式，但不建議推廣用于一般受彎構件；陳紹蕃[12]采用平衡法及能量法得出有2～4道彈性桿撐的軸壓鋼柱的穩定臨界荷載的統一近似公式，可作為設有立柱的鋼支撐的穩定性設計參考。以上研究均針對于實腹式支撐桿件，對于裝配式構件，即當型鋼各肢采用綴板或綴條連接時，其穩定性設計尚待進一步研究。

2 裝配式鋼結構支撐構造型式

裝配式鋼結構內支撐系指采用綴板或綴條（或兩者均取）將多道型鋼支撐通過螺栓連接成一格構式拼裝結構，如圖1、圖2所示。

圖1 型鋼支撐與綴板的連接

圖2 型鋼支撐與綴板、綴條的連接構造圖

支撐型鋼多采用工形鋼，目前常用的有H300*300系列、H350*350系列及H400*400系列，其中H350*350應用最多。每根工形鋼的翼緣上均預打一定數量的圓孔，以便于與綴板（綴條）采用螺栓連接。綴板可以是一塊鋼板，亦可是形似于槽鋼的型鋼或焊接板，在局部焊接鋼板以防止綴板發生于局部區域。某工程中工形鋼與綴板連接的現場照片如圖3所示。工形鋼支撐與綴板之間采用一定數量的高強螺栓，并在施工階段定期查看螺栓的松動情況，確保兩者之間連接可靠，進而使得支撐體保持為一個整體。綴條的連接方式與綴板完全一致，只是其是與支撐斜交，此處不再贅述。

圖3 支撐與綴板的連接構造圖

3 支撐整體穩定性分析

為保持型鋼組工作期間特性不變，工形鋼與綴板（綴條）之間的連接強度（及螺栓的數量及強度）應有足夠的安全度。因此，在設計中，在垂直面內（實軸），支撐穩定性能與實腹式構件無異，穩定驗算條件與實腹式柱相同。在水平面內（虛軸），由于各分肢之間不是實體相連，構件在平面內的抗剪剛度較小，構件的穩定性將受到剪切變形的影響[13]。在支撐跨度較大，中間需設立柱時，立柱可作為支撐構件的彈性支撐點，此時支撐計算長度應取全長；當彈簧剛度大于一定數值時，立柱方起到剛性支座的作用，支撐的計算長度取立柱間距離[12]。

因此，在整體穩定性驗算中，可按以下兩步：（1）以綴板間長度范圍為單元體，計算考慮剪力影響的極限荷載；（2）考慮立柱彈性約束影響，將支撐作為一整體構件驗算其穩定性。

鋼結構相關參考書籍中[13]，考慮剪力影響的格構式柱的臨界力為：

式中：γ1為單位力作用下的剪應變；NE為不考慮剪切變形影響的歐拉臨界力。

對于由n肢型鋼拼裝的支撐，變形前、后的結構模型如圖4所示。圖中G=1表示單位剪力，1為型鋼支撐，2為綴板，L為綴板間中心距，d為水平位移。

圖4 綴板連接支撐計算模型

在單位剪力作用下，單根型鋼的剪力為1/n。取單根型鋼的一半作為研究對象，可將其看做為承受1/n水平力，長度為L/2的懸臂梁。由材料力學的自由端的撓度公式可得：

綴條連接的支撐計算模型如圖5所示。在單位剪力作用下，剪應變為：

式中：Ad為前后兩斜綴條的正截面面積之和。

圖5 綴條連接支撐計算模型

由式（5）、式（6）可以得出綴板連接、綴條連接發生單位水平位移時的剪力。同樣，當同時采用綴板、綴條時，發生單位剪切應變的剪力為：

其倒數為單位剪力作用下的剪應變，代入式（2）即可求得等代長細比。需要說明的是，式（6）推導過程中認為存在橫向綴條，式（5）的推導單獨考慮了綴板的作用，若簡單將兩者相加可能會產生誤差，但是，若誤差不大，亦可用于工程設計。

算例：現對5肢H350*350*12*19的拼接型鋼，綴板尺寸為750 mm×16 mm，中心間距5 m，斜綴條采用槽鋼28 a，h×b×tw×t×r×r1=280×82×7.5× 12.5×12.5×6.2，上下各兩根，根據式（5）、式（6）計算所得剪應變分別為：

若斜綴條采用8型，h×b×tw×t×r×r1=80×43× 5.0×8.0×8.0×4.0，則

則：γ=0.455×10-8

由以上結果可見，斜綴條的效果要比綴板要好的多。工程設計中，可適當加大綴條的構件尺寸，計算中僅將綴板作為儲備，以策安全。

根據文獻[12]，通過有限元模型計算立柱的水平剛度，即可代入下式計算支撐臨界力。

式中：Ncr0是不考慮立柱剛度影響的臨界力，在裝配式支撐計算中即為式（2）計算結果。

4 單肢穩定性分析

我國《鋼結構設計規范》（GB 50017—2013）[14]對格構式構件的分肢計算沒有考慮構件的初始缺陷，此時對于各型鋼均相同的情況下，各支撐壓力相同，彎矩為單肢壓力乘以水平位移。即：

單肢型鋼兩端由綴板固定，可認為兩端固結，計算長度系數取μ=0.65。計算所得型鋼最大應力應滿足如下條件：

當然，若存在繞x軸旋轉（垂直作用面內）的Mx，尚應考慮雙向彎曲的影響。這是常規鋼結構計算內容，在此不再贅述。

5 結論

本文以現行《鋼結構設計規范》為依據，對多道立柱樁支承的裝配式型鋼支撐的穩定性進行了詳細分析。分析認為，現行《鋼結構設計規范》和《預應力魚腹式基坑支撐技術規程》只獨立考慮了綴板或將綴板考慮為橫綴條，計算結果將會出現誤差，尤其是僅考慮設置橫向綴板的情況。通過本文分析發現，綴條的抗剪效果比綴板要好得多，設計過程中可僅考慮綴條的加固效果，僅將綴板作為儲備，以策安全。裝配式鋼支撐可視為一整體構件，除需進行整體穩定性分析外，尚應進行單肢穩定性考慮。單肢型鋼可認為兩端固結，采用壓彎構件的模型進行分析。

[1]劉發前,盧永成.某超大跨度基坑的設計與問題處理[J].建筑施工，2012,34（9）：869-871.

[2]劉發前,盧永成.裝配式預應力魚腹梁內支撐系統的利與弊[J].城市道橋與防洪,2013(7)：117-118.

[3]劉發前,盧永成.預應力裝配式魚腹梁內支撐的剛度分析[J].城市道橋與防洪，2016，2（2）：154-168.

[4]中國土木工程學會標準.預應力魚腹式基坑鋼支撐技術規程(送審稿)[S],2015.

[5]范欽珊,蔡新.材料力學[M].北京：清華大學出版社,2006.

[6]JGJ 120-120,建筑基坑支護技術規程[S].

[7]GB 50010—2010,混凝土結構設計規范[S].

[8]DGJ 32/J 12—2005，南京地區建筑地基基礎設計規范 [S].

[9]DBJ/T 15-20-97，建筑基坑支護工程技術規程[S].

[10]DGJ 08-61—2010，基坑工程技術規范[S].

[11]陳紹蕃.壓彎構件彎扭屈曲穩定系數φb的簡化計算[J].建筑結構,2014,44(21)：1-6.

[12]陳紹蕃.具有多道彈性支撐桿的鋼柱穩定計算[J].西安建筑科技大學學報：自然科學版,2011,43(2)：153-159,276.

[13]夏志斌,姚諫.鋼結構-原理與設計（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社,2011.

[14]GB 50017—2003.鋼結構設計規范[S].

TU753

A

1009-7716（2016）05-0081-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.022

2016-03-11

上海市青年科技啟明星課題（2014B類）（14QB1404100）

劉發前（1981-），男，安徽壽縣人，博士，高級工程師，主要從事

巖土及結構工程的設計與研究工作。