張弦梁鋼結構內支撐支護體系的技術應用

陳建山

(廈門市海滄區建設與交通工程質量安全站 福建廈門 361026)

0 引言

張弦梁結構(Beam String Structure，簡稱BSS)是一種預應力鋼結構的自平衡結構體系，主要是由上弦(剛性壓彎構件)、柔性拉索或鋼拉桿及撐桿等組合而成的混合結構體系，同時也是混合結構體系發展中的一個成功創造。隨著社會經濟的發展，張弦梁結構體系在工程建設中發揮著越來越重要的作用，尤其在會展中心體、大型體育館、交通樞紐站房等重要基礎設施中得到廣泛應用[1-2]。目前，已有不少學者對張弦梁的力學性能及穩定性進行了研究[3-5]，然而將其應用于支護結構中的研究還相對較少。本文針對張弦梁具有施工便捷、環境影響程度低、鋼材可回收利用、穩定性好等優良特性，將其應用于內支撐支護的技術應用中，為工程建設提供參考。

1 工程概況

擬建項目位于廈門市海滄區。總建筑面積約5萬m2，其中地上建筑面積約3.5萬m2，地下建筑面積約1.5m2。為2棟15層和2棟25層住宅，1棟1層配電房及1處大1層門。結構類型為框架、剪力墻，主樓基礎類型為沖孔灌注樁基礎，地庫為筏板基礎，基坑深度9m，基坑占地面積88 840m2。

基坑采用(沖)鉆孔灌注樁結合鋼支撐及局部鋼筋混凝土角撐進行支護，樁后采用高壓旋噴樁止水，地下水控制采用降水井結合集水明排措施。具體概況如下：

(1)圍護樁采用(沖)鉆孔灌注樁，直徑800mm，間距1200mm，樁長14.5m～16.5m。樁身混凝土強度等級為C30，充盈系數大于1.1，主筋保護層厚度不小于50mm，樁底沉渣厚度<100mm(立柱樁<50mm)。

(2)支撐立柱共30根，采用(沖)鉆孔灌注樁上接型鋼格構柱。支撐灌注樁樁徑φ800mm，樁端全斷面進入砂礫狀強風化不少于2m，樁身混凝土強度等級為C30，樁底沉渣厚度≤50mm。立柱井字桁架由4×L140×14mm角鋼和450×150×10mm鋼綴板焊接而成，柱斷面尺寸500mm×500mm，綴板間距450mm。

(3)止水帷幕采用雙重管高壓旋噴樁，直徑700mm，樁間距1200mm，樁長11.5m～12m。

(4)鋼筋混凝土角撐及混凝土牛腿混凝土強度等級為C35，截面尺寸有：1200×800mm(GL)、700×800mm(L1)。

(5)內支撐采用鋼結構張弦梁支護系統。

2 張弦梁支護系統概況

鋼結構內支撐采用張弦梁支護系統。各支撐構件及鋼梁中心線標高同冠梁中心線標高，即鋼結構內支撐中心線標高為+3.600m，構件截面參數如表1～表2所示。鋼結構內支撐設計如圖1～圖3所示。

表1 鋼支撐構件截面參數

表2 鋼支架構件截面參數

圖1 鋼支撐平面布置圖

圖2 鋼支撐結構詳圖

圖3 鋼支撐結構節點詳圖

3 工藝流程

基坑張弦梁鋼結構支撐施工工藝流程，如圖4所示。

圖4 基坑張弦梁鋼結構支撐施工工藝流程

4 施工方案

4.1 預應力鋼支撐安裝

平整一塊場地用于鋼支撐的模塊安裝，在平整場地上按設計施工圖紙分模塊進行安裝；再將模塊吊裝至支架平臺上相應位置進行模塊拼裝。考慮場地限制及進場順序，拼裝順序如下：一號模塊→二號模塊→三號模塊→四號模塊→五號模塊→六號模塊。鋼支撐模塊分布如圖5所示。

圖5 鋼支模塊分布圖

4.2 機械式千斤頂預應力施加

調節前準備工作：

(1)確定千斤頂旋轉角度與伸長量之間的關系(伸長1mm需要旋轉a度角)。

(2)確定現場千斤頂的調節方向，并做好記號便于后期施工。

(3)現場準備薄鋼片，鋼板等保證千斤頂與鋼構件緊密擠壓，千斤頂分組圖如圖6所示。

圖6 鋼支撐機械千斤頂分組圖

支護系統頂緊(使構件之間緊密接觸，傳力有效)：

(1)張弦梁系統上第一組千斤頂同步緩慢旋轉千斤頂a度，(穩定5min后)觀測所有千斤頂對應位置的腰梁中心處位移。

(2)觀測點位移達到1mm的位置千斤頂不再調整，其他位置千斤頂同步緩慢旋轉(遵循以下原則：位移為0的旋轉a度，有位移但不足1mm的按比例旋轉相應角度(1-X)×a)；(穩定5min后)觀測所有千斤頂對應位置的腰梁中心處位移。

(3)重復第2步直至所有二組的位移為1mm。

(4)所有千斤頂(同時)回旋a度角；(穩定5min后)觀測所有三組千斤頂對應位置的腰梁中心處位移。

(5)以上4個步驟重復3次。

支護系統預應力施加：

(1)張弦梁系統上第一組千斤頂同步緩慢旋轉千斤頂a度，(穩定5min后)觀測相應控制點位移。

(2)重復第1步驟10次。

(3)觀測點位移達到10mm的位置千斤頂不再調整，其他位置千斤頂同步緩慢旋轉(遵循以下原則：按比例旋轉相應角度(10-X)×a)；(穩定5min后)觀測所有控制點位移。

(4)重復第3步使所有控制點處位移為10mm。

土方開挖過程中根據現場監測結果適時施加。每一次旋轉千斤頂均要實時測量系統內力變化。

4.3 液壓式千斤頂預應力施加

施加前準備工作：

(1)液壓千斤頂STQ200T/100mm，電動油泵DZB1.5KW。

(2)現場各施加點準備好電源接線。

(3)準備鋼楔子、鋼尺、薄鋼片，鋼板等保證千斤頂與冠(腰)梁緊密擠壓。

支護系統預應力施加：

液壓式預應力施加點及荷載如圖7所示，施加前先對液壓儀表進行校核，具體施加步驟為：(1、1a)～(12、12a)成對同步施加點位處構件預應力。

圖7 鋼支撐液壓千斤頂預應力施加點分布圖

4.4 拆撐

拆撐原則：

換撐傳力構件全部通過驗收并收到拆除令后才能拆撐。拆撐時遵循“先裝后拆”的原則，按安裝方案逆序進行。

拆撐方案：

(1)在地下室樓板施工完畢并能提供剛度后開始換撐工作，待傳力體施工驗收完后開始逐步卸載以平穩過渡支撐體系。

(2)機械式預應力體系按千斤頂的最終位置與初始位置的差值分三級釋放千斤頂。先釋放1/3張弦梁上的第一組千斤頂；再釋放1/3對撐上千斤頂。

(3)每一級在施工過程中也應緩慢地同步放松，并實時觀測位移變化，根據調整千斤頂釋放量。

(4)液壓式預應力體系按預應力值釋放后通過破除混凝土二次灌漿層進行支撐壓力卸載。

(5)具體拆除流程：做拆除前準備，落實拆除支解點，拆除連接螺栓，割除連桿，釋放軸力，每次拆除長度不超過10m，拆除過程中加強圍護樁各項監測，根據監測情況調整拆除長度。

支撐體系拆除順序：

(1)豎向拆撐施工順序，所有鋼支撐及鋼托梁拆除完成后，方可進行鋼格構柱拆除，拆除時由上而下，直到拆除完成。

(2)水平向拆撐順序，如圖8所示。①本工程拆撐工作由于主體結構分段施工，支撐采取分區分段拆除，拆除順序按對角軸線順序進行。①②平行施工→③④平行施工→⑤⑥平行施工。

圖8 拆撐順序

④支撐拆除大面上采用叉車支頂+汽車吊+塔吊外運方法。

先拆腹桿、張弦梁等較輕小構件，后拆主撐鋼模塊和托梁。待結構施工完成后，再拆除所有的換撐，氣割拆除格構柱。

4.5 鋼支撐安裝、拆除及換撐需要解決的問題

(1)由于鋼支撐的構件均為廠家加工好后，運送至現場，安裝后，與牛腿無法完全頂緊，需要進行二次灌漿，厚度約20mm～100mm。

(2)張弦梁反牛腿部位的固定螺母，為避免被土掩埋，需要根據現場情況砌筑檢查井，并預留拆除螺母的空間。

(3)為便于現場更好地掌握鋼支撐受力情況，應盡量在每個大角設置鋼支撐內應力監測設備。

(4)原設計換撐采用傳力板，因地下室未施工完成，無法回填土方，施工完傳力板，土方將無法回填，向設計院提出換撐方案修改，經設計驗算，換撐采用傳力柱，傳力柱撐在支護樁跟負二層頂板上，原則上每根圍護樁上一根傳力柱，這樣既保證了換撐受力要求，后續還能回填土方。

(5)為確保基坑支護力能更好地通過傳力柱傳遞到主體構件，在施工傳力柱前，要將圍護樁上的雜物清理干凈，并按照設計圖紙要求設置鋼筋。

(6)鋼支撐拆除、吊裝，鋼支撐安裝公司原計劃采用叉車加吊車進行拆除，為避免破壞地下室負二層頂板，經過計算，支撐內力卸載完后，對鋼支撐進行分段拆除吊裝，最長不超過12m，卸載完內力的鋼支撐架在原支撐鋼梁上，吊車可以直接吊走，不需要叉車上板面配合拆除，能更好地保護樓板面。

5 監測

5.1 鋼支撐內力檢測情況

鋼支撐內力檢測情況如表3所示。

表3 鋼支撐內力檢測情況

通過內應力監測，可以看出不同的時間段，內力變化較大，特別是下午2點左右，內支撐內力值最大。每天的變化值偏差均在合理范圍內。

5.2 基坑監測

(1)鋼支撐拆除前，水平位移、垂直沉降、立柱沉降、鋼支撐內力等監測數值均低于預警指標，基坑變形值在設計允許范圍內，基坑整體穩定。鋼支撐拆除前監測數據如表4所示。

表4 鋼支撐拆除前監測數據

(2)鋼支撐拆除過程，基坑變形較小，基坑變形值在設計允許范圍內，基坑整體穩定。鋼支撐拆除過程中監測數據如表5所示。

表5 鋼支撐拆除過程中監測數據

(3)鋼支撐拆除完成后，基坑變形值在設計允許范圍內，基坑整體穩定。鋼支撐拆除完成后監測數據如表6所示。

表6 鋼支撐拆除完成后監測數據

6 結語

張弦梁鋼結構內支撐支護體系憑借其施工便捷、構件循環再利用、環境影響程度低等特性，在本工程中已成功應用，并取得良好的工程效果，可為內支撐支護結構的施工提供新思路。

通過現場監測結果表明，施工過程中基坑的水平位移、垂直沉降、立柱沉降、鋼支撐內力等監測數值在設計允許范圍內，基坑整體穩定。因此，利用張弦梁結構支護體系，不僅能保證施工安全、質量，降低安全隱患，而且能提交工作效率，降低工程成本，加快施工進度，具有良好的應用前景。