装配式型钢内支撑稳定性设计

刘发前

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

装配式型钢内支撑稳定性设计

刘发前

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

基坑工程的内支撑通常采用钢筋混凝土结构、钢结构和木结构。相比于钢筋混凝土支撑，钢支撑的材料强度高，可循环利用，建筑垃圾少，更加符合绿色环保的设计理念。然而，在深、大基坑中，钢支撑的间距需布置较密以满足强度条件和稳定性要求，这给土方开挖（尤其垂直运输）带来了很大困难。将型钢支撑拼接为一格构式整体构件，是一种代表性的处理方式。基于现行《钢结构设计规范》（GB 50017—2003），研究大跨度基坑中装配式型钢内支撑的稳定性设计，给出整体稳定性、单肢稳定性的分析方法，形成供科研、设计参考的计算流程。

基坑；支撑；装配式；格构式；稳定性

1 概述

基坑工程正向深度大、跨度大、形状不规则、环境要求高、施工速度快、绿色环保无污染的方向快速发展，支护系统的结构型式亦更加灵活多样，如预应力装配式鱼腹梁内支撑系统[1-3]。该支护系统已经经历了数年的发展，积累了丰富的经验，并据此正在编制相应的规程[4]。该种支撑的主要特点是完全采用预应力装配式型钢结构体代替原来密布的单肢型钢，中间夹以预应力鱼腹梁，实现增大支撑（装配式型钢支撑）间距离，便于土方开挖。

目前为止，装配式型钢支撑的最大长度达120 m以上，实测资料亦表明基坑变形控制良好。然而，针对装配式型钢内支撑，其规范的设计方法尚待进一步研究。支撑系统的设计应考虑强度、稳定性两方面，且多数情况下稳定性控制起主导作用。根据《材料力学》[5]，支撑的临界荷载可用欧拉公式计算，且需根据支撑两端约束情况选择合理的计算长度，最终可得出支撑在稳定极限条件下荷载与长细比的关系。因此，为方便计算与控制，国家和各地方规范均对支撑计算长度（或长细比）有较为明确的规定。如国家规范[6，7]和南京地区规范[8]认为支撑的计算长度按照其实际长度或立柱中心间距确定；广东地区规范[9]的要求基本与国家规范类似，并强调钢筋混凝土支撑的长细比不超过80，型钢支撑结构的长细比不超过150；上海规范[10]要求钢筋混凝土支撑在竖向平面内的计算长度取其全长（未设立柱）或立柱中心距，钢支撑应取上述长度的1.2倍，横向平面内宜参照竖向平面情况确定。陈绍蕃[11]提出了工形截面和T形截面构件受弯屈曲时的稳定系数简化公式，但不建议推广用于一般受弯构件；陈绍蕃[12]采用平衡法及能量法得出有2～4道弹性杆撑的轴压钢柱的稳定临界荷载的统一近似公式，可作为设有立柱的钢支撑的稳定性设计参考。以上研究均针对于实腹式支撑杆件，对于装配式构件，即当型钢各肢采用缀板或缀条连接时，其稳定性设计尚待进一步研究。

2 装配式钢结构支撑构造型式

装配式钢结构内支撑系指采用缀板或缀条（或两者均取）将多道型钢支撑通过螺栓连接成一格构式拼装结构，如图1、图2所示。

图1 型钢支撑与缀板的连接

图2 型钢支撑与缀板、缀条的连接构造图

支撑型钢多采用工形钢，目前常用的有H300*300系列、H350*350系列及H400*400系列，其中H350*350应用最多。每根工形钢的翼缘上均预打一定数量的圆孔，以便于与缀板（缀条）采用螺栓连接。缀板可以是一块钢板，亦可是形似于槽钢的型钢或焊接板，在局部焊接钢板以防止缀板发生于局部区域。某工程中工形钢与缀板连接的现场照片如图3所示。工形钢支撑与缀板之间采用一定数量的高强螺栓，并在施工阶段定期查看螺栓的松动情况，确保两者之间连接可靠，进而使得支撑体保持为一个整体。缀条的连接方式与缀板完全一致，只是其是与支撑斜交，此处不再赘述。

图3 支撑与缀板的连接构造图

3 支撑整体稳定性分析

为保持型钢组工作期间特性不变，工形钢与缀板（缀条）之间的连接强度（及螺栓的数量及强度）应有足够的安全度。因此，在设计中，在垂直面内（实轴），支撑稳定性能与实腹式构件无异，稳定验算条件与实腹式柱相同。在水平面内（虚轴），由于各分肢之间不是实体相连，构件在平面内的抗剪刚度较小，构件的稳定性将受到剪切变形的影响[13]。在支撑跨度较大，中间需设立柱时，立柱可作为支撑构件的弹性支撑点，此时支撑计算长度应取全长；当弹簧刚度大于一定数值时，立柱方起到刚性支座的作用，支撑的计算长度取立柱间距离[12]。

因此，在整体稳定性验算中，可按以下两步：（1）以缀板间长度范围为单元体，计算考虑剪力影响的极限荷载；（2）考虑立柱弹性约束影响，将支撑作为一整体构件验算其稳定性。

钢结构相关参考书籍中[13]，考虑剪力影响的格构式柱的临界力为：

式中：γ1为单位力作用下的剪应变；NE为不考虑剪切变形影响的欧拉临界力。

对于由n肢型钢拼装的支撑，变形前、后的结构模型如图4所示。图中G=1表示单位剪力，1为型钢支撑，2为缀板，L为缀板间中心距，d为水平位移。

图4 缀板连接支撑计算模型

在单位剪力作用下，单根型钢的剪力为1/n。取单根型钢的一半作为研究对象，可将其看做为承受1/n水平力，长度为L/2的悬臂梁。由材料力学的自由端的挠度公式可得：

缀条连接的支撑计算模型如图5所示。在单位剪力作用下，剪应变为：

式中：Ad为前后两斜缀条的正截面面积之和。

图5 缀条连接支撑计算模型

由式（5）、式（6）可以得出缀板连接、缀条连接发生单位水平位移时的剪力。同样，当同时采用缀板、缀条时，发生单位剪切应变的剪力为：

其倒数为单位剪力作用下的剪应变，代入式（2）即可求得等代长细比。需要说明的是，式（6）推导过程中认为存在横向缀条，式（5）的推导单独考虑了缀板的作用，若简单将两者相加可能会产生误差，但是，若误差不大，亦可用于工程设计。

算例：现对5肢H350*350*12*19的拼接型钢，缀板尺寸为750 mm×16 mm，中心间距5 m，斜缀条采用槽钢28 a，h×b×tw×t×r×r1=280×82×7.5× 12.5×12.5×6.2，上下各两根，根据式（5）、式（6）计算所得剪应变分别为：

若斜缀条采用8型，h×b×tw×t×r×r1=80×43× 5.0×8.0×8.0×4.0，则

则：γ=0.455×10-8

由以上结果可见，斜缀条的效果要比缀板要好的多。工程设计中，可适当加大缀条的构件尺寸，计算中仅将缀板作为储备，以策安全。

根据文献[12]，通过有限元模型计算立柱的水平刚度，即可代入下式计算支撑临界力。

式中：Ncr0是不考虑立柱刚度影响的临界力，在装配式支撑计算中即为式（2）计算结果。

4 单肢稳定性分析

我国《钢结构设计规范》（GB 50017—2013）[14]对格构式构件的分肢计算没有考虑构件的初始缺陷，此时对于各型钢均相同的情况下，各支撑压力相同，弯矩为单肢压力乘以水平位移。即：

单肢型钢两端由缀板固定，可认为两端固结，计算长度系数取μ=0.65。计算所得型钢最大应力应满足如下条件：

当然，若存在绕x轴旋转（垂直作用面内）的Mx，尚应考虑双向弯曲的影响。这是常规钢结构计算内容，在此不再赘述。

5 结论

本文以现行《钢结构设计规范》为依据，对多道立柱桩支承的装配式型钢支撑的稳定性进行了详细分析。分析认为，现行《钢结构设计规范》和《预应力鱼腹式基坑支撑技术规程》只独立考虑了缀板或将缀板考虑为横缀条，计算结果将会出现误差，尤其是仅考虑设置横向缀板的情况。通过本文分析发现，缀条的抗剪效果比缀板要好得多，设计过程中可仅考虑缀条的加固效果，仅将缀板作为储备，以策安全。装配式钢支撑可视为一整体构件，除需进行整体稳定性分析外，尚应进行单肢稳定性考虑。单肢型钢可认为两端固结，采用压弯构件的模型进行分析。

[1]刘发前,卢永成.某超大跨度基坑的设计与问题处理[J].建筑施工，2012,34（9）：869-871.

[2]刘发前,卢永成.装配式预应力鱼腹梁内支撑系统的利与弊[J].城市道桥与防洪,2013(7)：117-118.

[3]刘发前,卢永成.预应力装配式鱼腹梁内支撑的刚度分析[J].城市道桥与防洪，2016，2（2）：154-168.

[4]中国土木工程学会标准.预应力鱼腹式基坑钢支撑技术规程(送审稿)[S],2015.

[5]范钦珊,蔡新.材料力学[M].北京：清华大学出版社,2006.

[6]JGJ 120-120,建筑基坑支护技术规程[S].

[7]GB 50010—2010,混凝土结构设计规范[S].

[8]DGJ 32/J 12—2005，南京地区建筑地基基础设计规范 [S].

[9]DBJ/T 15-20-97，建筑基坑支护工程技术规程[S].

[10]DGJ 08-61—2010，基坑工程技术规范[S].

[11]陈绍蕃.压弯构件弯扭屈曲稳定系数φb的简化计算[J].建筑结构,2014,44(21)：1-6.

[12]陈绍蕃.具有多道弹性支撑杆的钢柱稳定计算[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版,2011,43(2)：153-159,276.

[13]夏志斌,姚谏.钢结构-原理与设计（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社,2011.

[14]GB 50017—2003.钢结构设计规范[S].

TU753

A

1009-7716（2016）05-0081-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.022

2016-03-11

上海市青年科技启明星课题（2014B类）（14QB1404100）

刘发前（1981-），男，安徽寿县人，博士，高级工程师，主要从事

岩土及结构工程的设计与研究工作。