H型鋼組合支撐在地鐵基坑中的應用研究

李 瀟 蔡 璐

(1. 廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東深圳 518036； 2. 上海強勁地基工程股份有限公司，上海 200233)

0 引言

近年來，H型鋼組合支撐體系逐漸大范圍應用在基坑支護工程中，具有操作簡便、截面組合形式靈活的特點，不僅能適應不同的支撐間距及跨度，組合后的截面還具有較大的剛度，從而調節和優化圍護結構內力分布并控制基坑變形[1]。例如：汪海生等研究了將裝配式H型鋼支撐方案應用于加固已發生位移的超深厚軟土基坑中，并得到良好的效果[2]；郭永成等將裝配式預應力型鋼組合支撐在臨近地鐵的深基坑中的應用進行了研究和總結[3]。

有研究表明，型鋼組合支撐的承載力主要取決于穩定性[4]，現大量采用的單層組合的截面，需設置豎向支撐以解決其穩定性問題[5](見圖1、圖2)。地鐵狹長基坑的縱向放坡開挖方式(見圖3)要求支撐體系間距大并在基坑寬度方向盡量沒有豎向支撐。傳統的鋼管支撐體系，因所能承受的軸向力有限[6]，支撐間距小(一般為3 m)，逐漸不能滿足高效快速的地鐵建設要求，而上述H型鋼單層組合截面因存在豎向支撐體系，在地鐵基坑中也很少應用。

圖1 房建基坑H型鋼組合支撐體系照片

圖2 房建基坑H型鋼組合支撐體系示意圖

基于此背景，以一個地鐵標準車站基坑為例通過計算分析，設計出新型H型鋼組合內支撐截面，相較于目前單層H型鋼組合截面及傳統鋼管支撐具有承載能力大、支撐跨度大、支撐間距大、截面形式經濟合理等優點，能很好地適應地鐵狹長型基坑的要求，具有推廣應用價值。

1 H型鋼組合內支撐截面形式

以地鐵工程中常見的標準車站基坑(寬度約20 m)為例，考慮到土方開挖及出運的便利性，第二三道支撐間距取和第一道砼支撐間距一樣9 m，根據圍護結構單元計算的結果[7]，通常第二道支撐的支撐反力最大，本例取第二道支撐反力設計值12227 kN。支撐在基坑寬度范圍內不設置臨時豎向支撐結構，故支撐的計算長度取基坑寬度20 m。

圖3 地鐵基坑出土方式典型縱剖面布置圖

按《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)[8]，壓彎構件應驗算強度、平面內穩定性和平面外穩定性。圖4所示為組合型鋼支撐梁最常用截面形式，型鋼選用H350×350×12×19Q345型鋼，型鋼在x軸方向的間距為1 m。通過計算后得知，構件在強度和彎矩作用平面外穩定性(繞y軸)滿足要求時，彎矩作用平面內的穩定性(繞x軸)遠遠達不到要求。因此為增強y軸方向截面的抵抗矩，在y軸方向再增加一層組合型鋼，兩層型鋼之間用型鋼連接，在y軸方向適當減少型鋼數量，如圖5所示。這樣在不增加型鋼數量的前提下，能夠更合理經濟地滿足型鋼組合支撐在不同方向的穩定性要求。

圖4 常用H型鋼組合支撐梁截面(單位：mm)

對優化后H型鋼組合支撐截面(見圖5)進行強度、穩定性驗算。軸力設計值為N=12227 kN，支撐在兩個方向的壓曲長度均為20 m(兩端簡支)，考慮施工活荷載4 kPa，考慮兩個方向初偏心0.02 m，結構重要性系數γ0=1.1。

(1)內力計算

豎向彎矩：

Mx=M1+Mg+Mex=308+445.17
+244.53=997.70 kN·m

式中：M1為自重彎矩，kN·m；Mg為施工荷載彎矩，kN·m；Mex為垂直方向初偏心彎矩，kN·m。

水平彎矩：

My=Mey=244.53 kN·m

式中：Mey為水平方向初偏心彎矩，kN·m。

(2)強度驗算

壓彎構件截面實際的應力分布不均勻，截面外部部分面積先進入塑性屈服階段，此時由于大部分截面面積仍然處于彈性階段，故還能繼續承載。本次構件強度按不考慮截面塑性區的發展來驗算，截面塑性階段的承載能力作為強度儲備考慮，這樣偏于安全，故截面塑性發展系數γx、γy均取1。強度驗算截面面積應按截面的凈截面面積計算。

截面強度驗算公式見式(1)。

(1)

式中：An為截面凈面積，mm2；Wx為豎向截面抵抗矩，mm3；Wy為水平向截面抵抗矩，mm3。

截面強度驗算滿足要求。

(3)穩定性驗算

穩定性系數查《鋼結構設計標準》(GB50017—2017)，b類截面：

φx=0.807φy=0.865

①彎矩作用平面內(繞x軸)穩定性驗算。等效彎矩系數βmx、βty取1。

彎矩作用平面內穩定性驗算公式見式(2)。

(2)

彎矩作用平面內(繞x軸)穩定性滿足要求。

②彎矩作用平面外(繞y軸)穩定性驗算。等效彎矩系數βmy、βtx取1。

彎矩作用平面外穩定性驗算見式(3)。

(3)

彎矩作用平面外(繞y軸)穩定性滿足要求。

式中：λx為支撐豎向長細比；λy為支撐水平向長細比；EA為支撐截面剛度，kN。

③局部穩定性

組合型鋼支撐梁有可能發生局部失穩。支撐梁由數根型鋼組合而成，局部穩定性主要由蓋板、綴條及型鋼連接梁的強度和間距控制，可通過鋼結構要求驗算確定最低要求。支撐梁滿足該要求可認為不會發生局部失穩，實際支撐梁施工亦要求滿足該要求[1]。

2 與鋼管支撐承載能力對比

通過上述計算可知，優化后的H型鋼組合截面承載了12227 kN的軸力設計值。在壓曲長度、兩端約束條件、施工活荷載、初偏心等條件都相同且鋼材材質均為Q345的條件下，又對地鐵基坑工程常用的傳統鋼管支撐所能承受的最大軸力設計值進行了計算[9]，計算結果為：φ609、t=16鋼管支撐最大能承受大約3300 kN的軸向壓力設計值；φ800、t=20鋼管支撐最大能承受大約8250 kN的軸向壓力設計值。如表1所示。

表1 三種鋼支撐形式所能承受的最大軸向壓力設計值

通過對比可知，傳統鋼管支撐所能達到的承載能力遠遠小于型鋼組合支撐。眾所周知，支撐間距越大，支撐需要承受的軸向力越大，鋼管支撐的承載能力上限低限制了其在基坑縱向拉大支撐間距的可能性。

3 與鋼管支撐剛度對比

有研究表明[10]，支撐剛度越大，對控制基坑的變形越有利，但這種有利作用并不是線性的。剛度增加到一定程度后，支撐剛度的增大對控制基坑變形的作用變得越來越不明顯，支撐剛度與支撐截面面積(也就是質量)成正比關系。由圖6的變化曲線可以看出，曲線形態前段下降明顯、后段趨于平緩，因此，對于減小基坑變形，采用增加支撐剛度的措施存在一個合理的取值范圍，一味地提高支撐剛度來提高基坑穩定性并不經濟。型鋼根數在3～5根(截面面積50000～80000 mm2)范圍內是比較經濟合理的。

圖6 不同支撐剛度的支護結構最大水平位移

通過計算可知，如果用四根φ609、t=16鋼管支撐上下兩層兩兩組合起來才能承受12227 kN的軸向壓力設計值，如圖7所示，而組合起來的截面面積達到了119170 mm2，遠遠超過了增加支撐剛度提高基坑穩定性的合理范圍值(50000～80000 mm2)，并且鋼管組合截面面積約為H型鋼組合截面面積(68756 mm2)的2倍，其質量也約為H型鋼組合截面質量的2倍。

圖7 φ609、t=16鋼管組合支撐梁截面(單位：mm)

由此判斷，在支撐屈曲長度20 m、支撐間距9 m，且其他條件都相同的條件下，傳統鋼管組合起來的支撐形式雖然滿足了相同的承載能力，并在一定程度上提高了支撐剛度，但提高的剛度對基坑穩定性的貢獻很小，并且其截面面積及截面質量約為H型鋼組合截面的2倍，經濟上不具有優勢。

4 結論及問題

預應力H型鋼組合支撐截面組合形式靈活多樣、綠色節能。本文以地鐵標準站基坑為例，研究了支撐間距9 m情況下的預應力H型鋼組合支撐截面形式，并和傳統鋼管支撐進行了對比。主要結論如下：

(1)通過計算，在支撐屈曲長度20 m、支撐間距9 m的條件下，由四根H型鋼上下左右組合起來的截面形式能滿足強度、整體穩定、局部穩定的要求；

(2)支撐間距越大，支撐需要承受的軸向力越大。單根鋼管支撐所能達到的承載能力遠遠小于型鋼組合支撐，鋼管支撐的承載能力上限低限制了其在基坑縱向拉大支撐間距的可能性；

(3)鋼管支撐如要達到很大的承載力也需要將其組合起來。通過計算，在支撐屈曲長度20 m、支撐間距9 m的條件下，組合鋼管支撐截面形式要達到組合H型鋼支撐截面相同的承載能力，其截面面積將是組合H型鋼支撐截面面積的2倍；

(4)支撐剛度越大，其對基坑變形的控制越有利。組合起來的鋼管支撐截面雖然增加了支撐剛度，但因其總剛度已經超出了合理范圍值，提高的剛度對基坑穩定性的貢獻很小，并且其截面質量(截面面積)約為H型鋼組合截面的2倍，經濟上不具有優勢。

以上僅對基坑的鋼支撐進行了研究對比，但就整個支撐體系來看，增大第二三道支撐間距雖然增加了施工空間、提高了基坑土方出運效率，但是基坑鋼支撐間距增大將導致如下問題：

(1)拉大支撐間距后，原來的型鋼腰梁已不滿足要求，需對其進行加強，一定程度上增加了造價。

(2)拉大支撐間距后，支撐在平面內的平均剛度變小，一定程度上對基坑穩定性不利，但可以通過增加支撐預應力鎖定值來控制基坑的變形。