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| 关于钢支撑刚度问题的探讨 | |||||
| 作者：朱雁飞 文章来源：网络 点击数： 更新时间：2005-1-15 | |||||
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关键词 钢支撑 刚度 压缩量 预应力
一、前言 支撑的刚度问题似乎是一个被公认为已经解决的问题，几乎所有的基坑计算软件都可直接采用理论计算来设定支撑的实际刚度，并认为通过施加预应力的措施，就能够使支撑的实际刚度与理论刚度统一。但在许多深基坑施工中，位移超过设计值的现象是普遍存在的，只是未造成对周围环境的破坏而已，这种现象既影响了设计计算的严肃性，也给工程安全带来了隐患。造成这种情况的原因是复杂的，除了计算模型简化、降水影响、地基加固强度的差异等因素外，钢支撑实际刚度和理论刚度的差异也是一个非常重要的因素。 二、影响支撑实际刚度的因素 1.支撑压缩量概念的引入 支撑在架设后，随着开挖逐渐承受轴力并逐步压缩，即假设基坑两侧变形相等，支撑跨中位移为零，自支撑架设之时起，一侧支撑与围护结构作用点的位移增量代表支撑压缩量。 2.影响钢支撑实际刚度的主要因素 目前常用的φ609/580钢支撑基本构造如图1所示。
图1 钢支撑结构示意图 (1) 支撑构件间采用法兰连接，由于法兰在加工过程和使用过程中产生变形，拼装后形成间隙，在小轴力情况下，这些间隙逐渐闭合，造成支撑压缩量比理论值大。 (2) 支撑活络段设计不合理，其侧向刚度非常小，由于围护结构面不可能完全平整，在大轴力情况下，活络段极易出现"歪头"现象，这将造成支撑承载力急剧下降，整体呈现出"屈服"现象。 (3) 由于目前钢支撑采用钢楔锁定机构，实际上是通过调整钢楔受压面积来调节支撑长度的。以标准楔块厚度50mm计算，A3钢抗压强度［f］=200MPa，如果轴力达到1500kN，相对应的最小受压长度应大于150mm，在楔块插入长度过小的情况下，是完全可能出现楔块"屈服"的情况。但由于楔块厚度大、受压长度小，即使出现"屈服"也不会失稳，仅反映为支撑压缩量大。 三、实例分析 1.实例1 (1) 理论计算 上海某工程基坑跨度为20m，开挖深度19.48m，地下连续墙深37m，设6道φ609钢支撑，周边无建筑物超载。理论计算采用时空效应的杆系有限元计算，理论最大位移值为49mm，其中开挖-支撑时间设定为24h，最大开挖宽度设定为12m。 (2) 实际施工 基坑开挖采用"单元开挖法"，标准施工流程是：早上8点开始开挖第一作业单元土方，至下午2点停止出土(约开挖出300m3土、开挖面长度为5～6m)，安装2根支撑，晚上7点钟前完成支撑架设，对应开挖面最大长度为6m，开挖-支撑最长时间为12h；晚上8点开始开挖第二单元土方，至第二天早上5点停止(开挖出约600m3土方，对应开挖面长度为9～10m)，随后立即架设支撑，至第二天中午12点以前完成支撑架设，开挖-支撑最长时间约16h。 (3) 分析 图2是按有限元计算结果分析的19.48m深基坑每一道支撑作用点位移过程曲线，图3是实际支撑作用点位移过程曲线。
图2 支撑作用点理论位移过程
图3 支撑作用点实际位移过程 由图2和图3可见，支撑实际变形过程与理论变形过程符合得相当好，即支撑安装后先是一个受压缩的过程，随着下道支撑的安装，逐步表现为松弛或稳定过程。但每一阶段位移量均较计算值大，最终标准段大部分测点位移值普遍达到了80～90mm，大大超过了设计值。当然，对于变形要求很严格的地区，如果采用了强力地基加固、逆作施工，或化整为零等特殊手段，基坑围护结构位移往往还是能够接近设计值的。然而在压缩量的数值上，理论和实际的差值较大，如图4所示。
图4 理论支撑压缩量和实际支撑压缩量对比 由图4可见，此基坑支撑实际压缩量和理论压缩量有着数量级的差异。 2.实例2 1个由钢筋混凝土支撑和钢支撑相结合的基坑，其跨度为13.66m，开挖深度为24m，地下连续墙深42m，设7道支撑，其中第2、4、6道为钢筋混凝土支撑，第1、3、5道为φ609钢支撑，周边无建筑物超载，支撑的理论压缩量和实际压缩量的对比见图5。
图5 支撑的理论压缩量和实际压缩量对比 其结果令人难以置信，混凝土支撑压缩量与钢支撑在同一个数量级上，最大达到10mm。然而有其他监测数据可以证实这一支撑压缩量统计的准确性：此基坑钢支撑轴力最大值为760kN，而混凝土支撑应变压缩最大值=867×10-6，除去降温因素T=25℃，εt=αT=25×1×10-5=250×10-6，εs=ε-εt=617×10-6，据资料记载，混凝土极限压应变为(1000～5000)×10-6，相比之下，C30混凝土设计强度fc=15N/mm2，对应εf=568×10-6。可见由于支撑刚度的差异，大刚度的混凝土支撑承受了绝大部份的土压力(注：上述混凝土应变量为钢筋应变，且从混凝土浇筑之日开始计算，由于早期混凝土并未与钢筋完全粘接，故混凝土压缩量大于理论值)。 四、预应力数值分析 从上述实测数据及近10个基坑数据的统计，得出的结论是：一般基坑支撑理论压缩量为0.3～2mm，而实际压缩量大多在2～10mm之间，因此可以判定，目前常用的φ609/580钢支撑的实际刚度与理论值确实存在较大的差异目前设计中，普遍要求支撑施加预应力，一般要求施加到设计值的30%～70%，最高可达到90%，其作用主要补偿安装间隙引起的刚度损失，同时减少支撑安装后因轴力逐渐升高造成的变形。实际施工中，采用铁楔保持钢支撑的预应力，施加预应力的工艺为：千斤顶顶撑→铁楔放入空隙→人工敲紧"退拔"形铁楔→千斤顶放松。实际操作时，千斤顶顶力可达1200～1800kN，但撤除千斤顶后，由于活络端头变形和楔块锁紧机构的限制，实测预应力残留值很少超过800kN。因此，在很多情况下，实际施工中的预应力值未达到设计要求。 由于预应力设计的核心就是要保证支撑的实际刚度，而目前设计支撑的预应力施加值时，未考虑撤除千斤顶后预应力损失情况，也未考虑到不同的支撑由于构件拼接数量、接口法兰密贴程度、楔形块插入深度不同，在同样的预应力下实际刚度是有差异的，因此，以预应力施加为控制指标的设计理念是不尽合理的。 若以钢支撑的整体刚度作为设计支撑预应力指标的控制值，而不是以预应力大小来控制，那么初步设想具体指标可以利用钢结构的自振频率来测定。由结构动力学可知，单自由度结构自由振动周期：
式中：m-结构质量； k-刚度系数。 利用上式，由于质量已知，可用振动频率仪测量支撑的自振频率，即可换算出支撑的实际刚度系数，建议每一根支撑撤除千斤顶后，分别由监理和施工单位测定钢支撑的自振频率，即可推算出基坑开挖时钢支撑的真实刚度，与原来的测试方法相比，这一测试方法更为直接、方便、可靠、经济。 五、结语 目前，上海普遍使用的φ609/580支撑源自20世纪60～70年代地铁试验段的技术，其最大特点是经济性好、架设迅速、对设备要求较低；但随着基坑工程向着更深、更大的方向发展，也暴露出一些缺陷。笔者认为，今后一方面应大力改进φ609/580支撑体系，挖掘其潜力，例如改进楔形块锁紧机构，以减小支撑安装后预应力损失，改进活络段结构提高侧向刚度等；另一方面随着国家经济实力和施工单位实力的提高，应积极引进刚度更大、稳定性更好的H型钢支撑系统。 由于笔者水平有限，收集资料局限性较大，文中不足之处请不吝指教。 |
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