張小芳 程磊 王賢能 莫莉

（深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司）

基坑支護(hù)系統(tǒng)中的內(nèi)支撐，一般分為混凝土支撐和鋼支撐。混凝土支撐剛度大，支撐間距較大，但施工工期較長[1]。傳統(tǒng)鋼支撐的施工速度快，但剛度低，支撐間距較密，支撐間距往往達(dá)不到15m，這樣的空間明顯不利于土方的開挖和地下室的施工。張弦梁鋼支撐系統(tǒng)能夠在確保基坑周邊安全和合理變形值的情況下，加大支撐間距以獲得更大的地下施工空間，能縮短工期又滿足日益增長的環(huán)保要求。張弦梁的結(jié)構(gòu)剛度大，基坑變形小，支撐間距大，撐間凈距目前最大可達(dá)42m，具有可回收重復(fù)使用的優(yōu)點，土方開挖空間大，且在控制支護(hù)體變形時可預(yù)加力、補償加力，因此在基坑支護(hù)工程中有較好的應(yīng)用前景[2]。

近年來，隨著“綠色低碳環(huán)?！钡陌l(fā)展理念日益滲入，建筑行業(yè)也在尋求實現(xiàn)綠色發(fā)展的可行模式。而在基坑工程的開挖過程中，混凝土支撐在滿足布置靈活、剛度大、整體性好的同時，也帶來碳排放量較高、施工噪音較大、揚塵不可避免的環(huán)保問題；張弦梁鋼支撐系統(tǒng)采用預(yù)制構(gòu)件，構(gòu)件受力明確，安全性能好[3]，且具有構(gòu)件可回收重復(fù)利用、施工噪音小、無揚塵的優(yōu)點，契合了“綠色低碳環(huán)保”的發(fā)展理念。目前已在福建省、江西省、廣東省、江蘇省等地區(qū)有多個成功的應(yīng)用案例[4]。

1 預(yù)應(yīng)力張弦梁鋼支撐的特點

1.1 鋼支撐系統(tǒng)

張弦梁鋼支撐系統(tǒng)由張弦梁系統(tǒng)、桁架支撐系統(tǒng)、預(yù)應(yīng)力施加系統(tǒng)和支架系統(tǒng)組成。主要包括混凝土冠梁/腰梁、張弦梁、桁架對撐、桁架角撐、預(yù)應(yīng)力施加裝置等水平支撐結(jié)構(gòu)和支架梁、立柱、約束構(gòu)件等豎向支撐結(jié)構(gòu)。

如圖1 所示，張弦梁鋼支撐系統(tǒng)利用張弦梁大跨度承受橫向荷載的結(jié)構(gòu)特性，與桁架鋼支撐的大剛度性能相結(jié)合，具備了大跨度、大剛度的優(yōu)勢，整個系統(tǒng)的支撐構(gòu)件數(shù)量也遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)支護(hù)系統(tǒng)，優(yōu)化了施工空間。

圖1 張弦梁鋼支撐基坑系統(tǒng)構(gòu)造示意圖

1.2 張弦梁系統(tǒng)

張弦梁支護(hù)系統(tǒng)以鋼筋混凝土冠梁/腰梁為上弦構(gòu)件，屬于剛性構(gòu)件；下弦以實心鋼拉桿為拉索，屬于柔性構(gòu)件；腹桿為帶活絡(luò)頭的鋼支撐。如圖2 所示，張弦梁系統(tǒng)的受力原理為：鋼拉桿錨入混凝土冠梁或腰梁進(jìn)行鎖定，通過腹桿活絡(luò)頭的千斤頂給鋼拉桿施加拉力，使混凝土冠梁或腰梁形成反撓度，以此構(gòu)成張弦梁的自平衡受力體系。

圖2 張弦梁受力體系示意圖

1.3 張弦梁在基坑工程應(yīng)用的優(yōu)點

張弦梁鋼支撐系統(tǒng)在深基坑工程中的應(yīng)用是比較成功的，目前僅在深圳地區(qū)10m 以上的基坑就有多個工程應(yīng)用實例，且各項指標(biāo)均能達(dá)到其使用效果，充分發(fā)揮了張弦梁鋼支撐的優(yōu)點與適用性，使其在“綠色低碳環(huán)?！钡内厔菹碌靡匝杆偻茝V。

1.3.1 結(jié)構(gòu)體系受力簡單

張弦梁鋼支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組件較為精簡，能充分發(fā)揮剛?cè)醿煞N材料的優(yōu)勢[5]，利用混凝土梁作為上弦構(gòu)件，下弦采用實心鋼拉桿，腹桿、弦桿均采用銷接，受力明確，構(gòu)造簡單[6]，提高了施工安裝效率，縮短安裝工期。此外，裝配式張弦梁鋼支撐系統(tǒng)沒有冗余構(gòu)件，可有效減少支撐立柱的數(shù)量，為基坑開挖提供較大空間，開挖工期可縮短至30%及以上，進(jìn)一步提高施工效率。

1.3.2 桁架支撐系統(tǒng)的安全性

張弦梁鋼支撐系統(tǒng)的桁架支撐系統(tǒng)一般采用H588×300～H800×300 的型鋼型號，H 型鋼的上下翼板均設(shè)置間距不超過3m 的綴板，提高了桁架支撐平面的截面模量，壓屈性能也隨之提高，保證了桁架支撐系統(tǒng)的大剛度，組裝完成后每榀對撐/角撐桁架的寬度在7.8m～8m之間，可承受4000～5500T的壓力。當(dāng)張弦梁鋼支撐系統(tǒng)跨度內(nèi)的土壓力傳遞到桁架支撐系統(tǒng)（對撐/角撐）時，支撐系統(tǒng)再將土壓力向基坑兩邊抵消[1]，桁架支撐系統(tǒng)的大剛度為整個張弦梁鋼支撐系統(tǒng)的自平衡體系提供了安全性和可靠性。

1.3.3 預(yù)應(yīng)力施加及實時監(jiān)測

張弦梁鋼支撐系統(tǒng)在基坑工程中，在腹桿和組合桁架支撐的端部采取前伸臂結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆筑混凝土梁的活絡(luò)頭搭接，直接在受壓腹桿和H 型鋼端部用千斤頂施加預(yù)應(yīng)力，在支撐梁進(jìn)行軸力監(jiān)測，預(yù)應(yīng)力大小可精準(zhǔn)控制；并設(shè)置多點加力，使系統(tǒng)構(gòu)件受力分布均勻。由于張弦梁結(jié)構(gòu)的對稱性，一般施加預(yù)應(yīng)力時先按張弦梁左右對稱的兩根腹桿成對同步施加相同大小的預(yù)應(yīng)力，再成對施加對撐預(yù)應(yīng)力[7]，使其受力系統(tǒng)達(dá)到自平衡。張弦梁鋼支撐系統(tǒng)在立柱上進(jìn)行豎向位移監(jiān)測，能實時預(yù)警，對支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的保護(hù)對象及時采取措施。

1.3.4 實現(xiàn)綠色低碳環(huán)保的施工理念

鋼支撐在基坑工程中的應(yīng)用已有數(shù)十年的歷史，近年來鋼支撐可循環(huán)利用的特性也使其在綠色低碳發(fā)展的趨勢下得到廣泛認(rèn)可。張弦梁鋼支撐系統(tǒng)的型鋼材料目前主要為特制改進(jìn)過的預(yù)制構(gòu)件，現(xiàn)場安裝效率高，無揚塵，噪音小；張弦梁預(yù)制構(gòu)件在支撐布局的合理設(shè)計下，能比同類鋼支撐的用鋼量大幅減少，且張弦梁在拆撐后可回收重復(fù)利用，實現(xiàn)了現(xiàn)代施工的綠色、低碳、環(huán)保的施工理念。

2 預(yù)應(yīng)力張弦梁鋼支撐的受力分析

2.1 張弦梁鋼支撐的受力分析

張弦梁的受力體系通常是對下弦拉索施加預(yù)應(yīng)力，通過撐桿對上部剛性構(gòu)件產(chǎn)生豎向支撐力，改善上部構(gòu)件的內(nèi)力幅值與分布，減小了由外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。張弦梁是典型的剛、柔并存結(jié)構(gòu)，不僅充分利用了拉索的高強度性能，且通過帶預(yù)應(yīng)力的拉索改變結(jié)構(gòu)的受力性能。且張弦梁的加力狀態(tài)比較具有獨特性，是采用直桿多點加力的加力形式，使桿件受力分布更均勻。

如圖3 所示，當(dāng)基坑達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)時，上弦桿所受內(nèi)力主要是彎矩、剪力和壓力，下弦桿主要承受拉力，中間直桿主要承受的是壓力[2]。

圖3 張弦梁受力簡圖

2.2 預(yù)應(yīng)力張弦梁的受力分析

如前所述，張弦梁鋼支撐的預(yù)應(yīng)力是通過腹桿靠近上弦混凝土梁的端部千斤頂進(jìn)行施加的。如圖4 所示，當(dāng)基坑開挖時，土壓力使張弦梁的上弦構(gòu)件受到一定的壓應(yīng)力、彎矩和剪應(yīng)力，而下弦構(gòu)件能夠?qū)⑸舷?、腹桿傳遞給它的力抵消到梁的兩端，由此與土壓力制衡，形成自平衡體系，從而有效控制基坑變形和內(nèi)力分布。

圖4 預(yù)應(yīng)力張弦梁在土壓力下的受力簡圖

3 基坑工程應(yīng)用實例

3.1 工程概況

某基坑場地位于深圳市光明區(qū)公明中心區(qū)，如圖5所示，基坑處于公明北環(huán)大道和曙光路交匯處，東北面鄰近龍大高速路，交通便利?；觽?cè)壁主要土層為素填土、雜填土、黏土、淤泥質(zhì)黏性土、粗砂、淤泥質(zhì)中砂、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等，基坑底土層為淤泥質(zhì)黏性土及全強風(fēng)化巖。

圖5 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場及周邊環(huán)境

本基坑地下室呈多邊形，擬建2 層地下室，基坑總周長約570m，基坑平面面積約14780m2，基坑開挖深度約9.1～10.1m。基坑周邊環(huán)境較復(fù)雜，基坑周邊埋設(shè)有燃?xì)夤?、通信管線、電力管線、雨水管、污水管等管線；東側(cè)、北側(cè)均臨近市政道路，西南側(cè)臨近廠房，基坑邊線距離建筑物輪廓線約3.1～6.5m。

3.2 支護(hù)方案對比

本基坑原設(shè)計方案為混凝土內(nèi)支撐支護(hù)，采用咬合樁+鋼筋混凝土內(nèi)支撐。結(jié)合基坑場地的地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、工期造價等因素，將混凝土內(nèi)支撐方案與張弦梁鋼支撐支護(hù)方案進(jìn)行對比，造價方面張弦梁鋼支撐方案為混凝土內(nèi)支撐方案的68%；地質(zhì)條件下伏基巖為花崗巖，硬度大，張弦梁鋼支撐的土方開挖效率比混凝土內(nèi)支撐方案提高了30%。如表1 所示，對混凝土內(nèi)支撐方案與張弦梁鋼支撐方案進(jìn)行對比，可以看出張弦梁鋼支撐方案在安裝工期、安全性能、施工空間和綠色環(huán)保方面均有一定優(yōu)勢。

表1 支護(hù)方案對比分析

預(yù)應(yīng)力張弦梁鋼支撐系統(tǒng)的基坑布置剖面如圖6所示，原設(shè)計的混凝土內(nèi)支撐方案如圖7 所示。通過張弦梁大跨度承受橫向荷載的結(jié)構(gòu)特性，使整個系統(tǒng)的支撐構(gòu)件數(shù)量遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)支護(hù)系統(tǒng)，優(yōu)化了施工空間。

圖6 張弦梁鋼支撐方案平面圖

圖7 混凝土支撐方案平面圖

綜合考慮，結(jié)合場地周邊環(huán)境，該基坑項目西北角尺寸較小，采用鋼筋混凝土支撐，其余區(qū)段均采用預(yù)應(yīng)力張弦梁鋼支撐結(jié)構(gòu)。第一道內(nèi)支撐角撐采用鋼筋混凝土支撐作為堆載平臺及臨時施工場地?；拥湫椭ёo(hù)剖面如圖8所示。

圖8 基坑支護(hù)剖面圖

3.3 支撐截面信息

本基坑項目的對撐組合型鋼采用2HN800×300×14×26，承載力相比1.0m×1.2m 混凝土支撐梁（C30）提高21.3%。角撐型鋼采用2～3HN800×300×14×26，承載力相比1.0m×1.2m 混凝土支撐梁（C30）提高53.6%。如表2 所示，張弦梁的腹桿采用RST350×400×14×14的鋼撐桿，下弦采用φ150 的Q650 高強拉桿，整個鋼支撐系統(tǒng)剛度大，性能穩(wěn)定。

表2 張弦梁鋼支撐構(gòu)件截面表

3.4 張弦梁鋼支撐軸力監(jiān)測

與系桿拱、魚腹桁架相比，張弦梁鋼支撐結(jié)構(gòu)最主要的特征是：利用施加的預(yù)應(yīng)力控制上弦受彎構(gòu)件的彎矩分布，以抵消基坑開挖施加在混凝土冠梁（上弦）的位移變形量，因此對張弦梁鋼支撐的軸力進(jìn)行實時監(jiān)測，能夠達(dá)到有效控制基坑變形的目的。

根據(jù)計算得到基坑開挖至張弦梁鋼支撐施工平面時混凝土冠梁（上弦）的最大位移值，以消除冠梁上的位移為目標(biāo)來分析確定預(yù)應(yīng)力鋼支撐的預(yù)應(yīng)力施加值，第一工況為考慮施加預(yù)應(yīng)力至抵消最大位移值所確定預(yù)應(yīng)力施加值；第二工況為基坑開挖下土壓力荷載分布的工況，第三工況為考慮季節(jié)、晝夜溫差對結(jié)構(gòu)的影響。通過施工過程的分析，定義四個組合來計算分析鋼支撐的剛度、強度和穩(wěn)定性及基坑變形。

組合一：1.30*恒載+1.0*預(yù)應(yīng)力荷載+1.25*土壓力+1.5*0.9活載

組合二：1.30*恒載+1.0*預(yù)應(yīng)力荷載+1.25*土壓力+1.0*升溫荷載+1.5*0.9活載

組合三：1.0*恒載+1.0*預(yù)應(yīng)力荷載+1.0*土壓力+1.0*活載

組合四：1.0*恒載+1.0*預(yù)應(yīng)力荷載+1.0*土壓力+1.0*升溫荷載+1.0*活載

上述組合中，組合一及組合二用于驗算鋼支撐的強度和穩(wěn)定，組合三至組合四用于控制基坑變形[8]。根據(jù)上述組合分別計算鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力值，當(dāng)基坑開挖到設(shè)計標(biāo)高時，根據(jù)組合三和四來驗算鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力值，其最大值和最小值如表3所示。

表3 鋼支撐單元的軸力計算結(jié)果

根據(jù)本基坑項目現(xiàn)場布置的張弦梁鋼支撐軸力監(jiān)測點，得到鋼支撐構(gòu)件所受軸力隨時間的曲線變化（圖9），可以看到隨著晝夜溫度的變化，鋼支撐構(gòu)件的軸力分布呈現(xiàn)周期性的升降規(guī)律，且最小值和最大值維持在一個固定值內(nèi)，與計算結(jié)果相吻合。

圖9 張弦梁鋼支撐軸力監(jiān)測點變化曲線

3.5 基坑變形監(jiān)測

本項目布置了基坑位移監(jiān)測控制點和內(nèi)力監(jiān)測控制點，施工過程中實時監(jiān)測基坑位移變化，并保證施工過程中基坑最大位移在30mm 范圍內(nèi)。本次選取部分基坑監(jiān)測點進(jìn)行研究，選取的監(jiān)測點布置如圖10所示。

圖10 基坑監(jiān)測點布置平面圖

⑴基坑沉降曲線。本基坑項目以冠梁最大位移30mm為控制值，在冠梁處選取7 個控制監(jiān)測點，監(jiān)測結(jié)果如圖11 所示，可以看到冠梁最大位移為9.6mm（要求＜30mm），滿足位移控制要求。

圖11 基坑沉降監(jiān)測點累計沉降變化曲線

⑵樁頂水平位移曲線。本基坑項目西南側(cè)基坑安全等級為一級，其余側(cè)基坑安全等級為二級，要求樁頂部水平位移監(jiān)測預(yù)警值在30mm以內(nèi)，監(jiān)測結(jié)果如圖12，實際測得的水平位移為23.2mm，符合位移控制要求。

圖12 樁頂水平位移累計沉降變化曲線

⑶周邊建筑沉降曲線?；庸こ讨苓吔ㄖ镏匾屈c監(jiān)測預(yù)警值為30mm，監(jiān)測結(jié)果如圖13。周邊管線的沉降實際測得最大值為11.6mm，滿足位移控制要求。

圖13 建筑物沉降監(jiān)測點累計沉降變化曲線

4 張弦梁鋼支撐在基坑工程中應(yīng)注意的問題

如前所述，張弦梁鋼支撐系統(tǒng)在基坑工程應(yīng)用中有諸多優(yōu)點，但同時也需了解其在基坑工程應(yīng)用中應(yīng)注意的問題，才能更好地?fù)P長避短，使張弦梁鋼支撐支護(hù)系統(tǒng)在基坑工程中最大限度地發(fā)揮它的優(yōu)勢。

4.1 弦高比

目前張弦梁鋼支撐的跨度最大可達(dá)42m，從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度分析，張弦梁作為一種平面梁式結(jié)構(gòu)，其主要受力特點是抗彎能力，抵抗彎矩的大小與張弦梁的弦高比有關(guān)，也是發(fā)揮其經(jīng)濟性能的重要指標(biāo)。弦高比越高，經(jīng)濟性能越高，基坑開挖空間也相應(yīng)越大，但張弦梁的變形值須滿足基坑等級相對應(yīng)的容許變形值，目前兼顧變形指標(biāo)和經(jīng)濟性能的張弦梁弦高比為3～5。

4.2 支撐構(gòu)件的選取與安裝節(jié)點的處理

傳統(tǒng)鋼支撐結(jié)構(gòu)多采用鋼圍檁，端頭鋼圍檁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間抗剪強度不足，容易造成圍檁整體滑動，以致基坑失穩(wěn)。張弦梁鋼支撐組合系統(tǒng)一般采用混凝土冠梁作為上弦構(gòu)件，充分發(fā)揮混凝土的抗彎剛度，能與下弦的張弦梁鋼支撐結(jié)構(gòu)組合形成可靠的受力系統(tǒng)。安裝節(jié)點處一般采用前伸臂，作為反牛腿擱置在冠梁上為鋼支撐提供支點，提高鋼支撐的安全度。安裝時，待張弦梁撐桿、鋼拉桿安裝就位且邊桿角度復(fù)核無誤后，再采用C60 混凝土進(jìn)行二次灌漿施工，保證混凝土冠梁與鋼支撐的緊密結(jié)合，提高整個剛?cè)狍w系的強度和可靠性。

4.3 桿件重心水平標(biāo)高控制

平面張弦梁的下弦拉索水平拉力由上弦梁受壓平衡，故豎向荷載（土壓力）作用下，張弦梁結(jié)構(gòu)只傳遞豎向力給下部支撐結(jié)構(gòu)，并不傳遞水平力[9]，因此張弦梁鋼支撐的大剛度、施工的簡單方便性是建立在構(gòu)件受力明確的基礎(chǔ)上的，這就要求各桿件在水平標(biāo)高應(yīng)嚴(yán)格控制在一定范圍值內(nèi)，才能使桿件預(yù)應(yīng)力與基坑開挖形成的土壓力形成互相抵消的自平衡體系，否則張弦梁支撐體系會產(chǎn)生很大的次彎矩，會引起張弦梁鋼支撐失穩(wěn)甚至破壞。

4.4 張弦梁預(yù)應(yīng)力的取值與加力形式

如前所述，張弦梁鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力的作用是抵消土壓力線荷載作用下產(chǎn)生的彎矩，使結(jié)構(gòu)形成反撓度。但是預(yù)應(yīng)力過大會使拱梁產(chǎn)生額外的軸向壓力，對用鋼量也有更多要求；預(yù)應(yīng)力過小則會讓弦索失去拉力而使撐桿失效，因此預(yù)應(yīng)力的取值是張弦梁鋼支撐系統(tǒng)保持良性工作狀態(tài)的關(guān)鍵[10]。目前在方案階段一般考慮結(jié)構(gòu)自重、張弦梁的弦高比等因素綜合確定張弦梁鋼支撐的初始預(yù)應(yīng)力施加值[11]，當(dāng)基坑開挖到一定深度時還需考慮土壓力線荷載作用下的預(yù)應(yīng)力附加值。此外，預(yù)應(yīng)力的施加也應(yīng)采用多點加力、對稱加力，千斤頂通常設(shè)置在腹桿端部，使構(gòu)件加力均勻；以張弦梁中心線為對稱軸進(jìn)行對稱加力，可以保證張弦梁自平衡系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對結(jié)構(gòu)桿件保持水平高度一致性也有保護(hù)作用。

5 結(jié)論

預(yù)應(yīng)力張弦梁鋼支撐系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)體系受力簡單、桁架支撐系統(tǒng)安全、可施加預(yù)應(yīng)力及實時監(jiān)測、施工效率高、綠色低碳等優(yōu)點，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)上的“剛?cè)岵迸c工程施工效率高、工期縮短的完美結(jié)合，從而發(fā)揮其降低施工成本的經(jīng)濟價值。

在基坑變形監(jiān)測方面，預(yù)應(yīng)力張弦梁鋼支撐能夠?qū)埾伊簝?nèi)力監(jiān)測系統(tǒng)與基坑沉降、樁頂位移等監(jiān)測指標(biāo)相結(jié)合，實現(xiàn)對基坑變形的實時調(diào)節(jié)，解決了傳統(tǒng)內(nèi)支撐系統(tǒng)一旦發(fā)生較大變形便難以控制的難題，也發(fā)揮了現(xiàn)代施工中實時監(jiān)測技術(shù)帶來的智慧施工的優(yōu)點。

綜上所述，預(yù)應(yīng)力張弦梁鋼支撐系統(tǒng)因其諸多優(yōu)點，能夠切實有效地貫徹當(dāng)下工程施工的綠色、低碳、智慧監(jiān)測等理念，在基坑工程中得到較好的推廣和應(yīng)用。