CN110485434A - 一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系及设计方法 - Google Patents

一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系及设计方法 Download PDF

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    • E02D17/04—Bordering surfacing or stiffening the sides of foundation pits

Abstract

本发明公开了一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系及设计方法，环形钢构件、辐射钢构件及角部钢构件之间的交叉位置均通过预制节点法兰螺栓连接。预制节点分两种类型：环形钢构件与辐射钢构件相交位置的Y字型连接节点，辐射钢构件与角部钢构件相交位置的十字型连接节点。Y字型连接节点位于环形钢构件与辐射钢构件交点位置。十字型连接节点位于辐射钢构件与角部钢构件交点位置。钢支座位于辐射钢构件、角部钢构件、钢拉杆及冠梁交点位置。形成了一种将拱形支撑良好的受力性能和钢支撑的优点相结合、充分利用材料性能、安装拆除方便、可实现工业化生产、构件可周转使用、废料可回收的内支撑结构体系。

Description

一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系及 设计方法
技术领域
本发明专利涉及一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系设计方法，属于岩土工程基坑支护技术领域。
背景技术
随着城市超高层建筑、地铁工程、市政工程、管廊工程以及地下空间开发规模逐渐增大，基坑工程数量近年来急剧增加。现有基坑支护方式普遍存在施工工序繁琐、建筑材料浪费、施工周期长、污染环境等问题。基坑支护工程作为临时结构，要求基坑支护施工快捷方便、施工工期短。装配式环形钢结构内支撑结构体系构件工厂化生产、现场安装拆除便捷、可重复利用，具有绿色、环保、高效的特点，可以很好的满足工程需求，将装配式环形钢结构内支撑结构推广无疑会对城市发展建设起到极大的帮助。
发明内容
现有技术中，尚未提出针对装配式环形钢结构内支撑结构体系的设计方法，极大地限制了装配式环形钢结构内支撑的推广应用。
本发明主要解决了装配式环形钢结构内支撑结构体系设计过程中遇到的构件选型，环形钢构件1边数选择及边长确定，Y字型连接节点4、十字型连接节点5、角部钢构件3、钢拉杆6、钢支座7设计等问题。
本发明采用的技术方案中，一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系，装配式环形钢结构内支撑结构体系中，环形钢构件1位于装配式环形够结构内支撑结构体系的中部位置，是由多段直线支撑组成正多边形的近圆环形支撑，在多边形角点位置设置Y字型连接节点4；辐射钢构件2以基坑对角线为对称轴对称布置，辐射钢构件2与角部钢构件3交点位置设置十字型连接节点5；角部钢构件3位于装配式环形够结构内支撑结构体系的角部位置；十字型连接节点5与钢支座7之间设置钢拉杆6，辐射钢构件2、角部钢构件3、钢拉杆6及冠梁8交点位置设置钢支座7。通过环形钢构件1、辐射钢构件2、角部钢构件3、Y字型连接节点4、十字型连接节点5、钢拉杆6及钢支座7之间的布置及相互连接。
本发明采用的一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系设计方法实施过程如下：
S1对基坑进行围护结构设计；
S2根据基坑围护结构荷载值，设计装配式环形钢结构内支撑；
S3装配式环形钢结构内支撑边数选择；
S4环形钢构件1边长确定；
S5布置辐射钢构件2；
S63布置角部钢构件；
S7设计Y字型连接节点4、十字型连接节点5；
S8设计钢拉杆；
S9设计钢支座及冠梁。
一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系设计方法，该设计方法的核心要点为环形钢构件1边数选择、环形钢构件1边长确定、角部钢构件3布置。
装配式环形钢结构内支撑结构体系设计要点如下：
(1)装配式环形钢结构内支撑结构体系设计时，对于基坑尺寸40m～100m，环形钢构件1边数选择正24边形、正28边形或正32边形，在基坑尺寸大于40m～100m时，选择正24边形或正28边形。
(2)装配式环形钢结构内支撑结构体系中环形钢构件1对基坑位移及内力分布影响显著，根据基坑形状的不同，综合考虑作业空间和基坑变形的控制要求，选择环形钢构件1边长。装配式环形钢结构内支撑结构体系设计时，环形钢构件1边长在7～12m范围选择。
(3)装配式环形钢结构内支撑结构体系设计时，在增加角部钢构件3后，环形钢构件1剪力值减小，基坑每个角设置两个角部钢构件3。
环形钢构件1边数选择
环形钢构件1是多段直线支撑组成正多边形的近圆环形支撑，在多边形角点位置设置Y字型连接节点4和十字型连接节点5，钢支撑连接节点附近设置临时立柱。按不影响主体结构施工及基坑开挖方便的原则，临时立柱间距在7～12m。相应的计算公式如下：
r＝(l/2)/cos(α/2) (2)
式中：r为圆的半径；
N为圆的内接正多边形的边数；
α为圆的内接正多边形的内角；
l为圆的内接正多边形的边长。
计算的出N边形的环形钢构件1对应的内环撑外接圆的直径。随着环形钢构件1多边形边数的减少，辐射钢构件2的支座间距将快速增加，而支座间距的增加将导致冠梁8或腰梁的弯矩值快速增加。环形钢构件1多边形边数选择时需要同时考虑临时立柱的间距及支座间距两个条件。
环形钢构件1边长确定：
根据基坑形状不同，综合考虑作业空间和基坑变形控制要求再选择则环形钢构件1边长。装配式环形钢结构内支撑结构体系设计时，环形钢构件1边长在7～12m。
角部钢构件3布置：
角部钢构件3的架设通过角部的土压力相互平衡，使作用于环形钢结构内支撑的压力减少并更加均匀，有效降低环形钢结构内支撑的轴向压力和弯矩，且距冠梁8或腰梁跨中较近位置处设置角部钢构件3对减小弯矩和轴力更加有效。因此在施工空间条件允许时基坑每个角应设置2道角部钢构件3。设置更多角部钢构件3需要缩小环形钢结构内支撑，减小无支撑面积，同时增加辐射钢构件2和角部钢构件3相交时的连接节点。
连接节点设计
环形钢构件1、辐射钢构件2及角部钢构件3之间的交叉位置均通过预制节点法兰螺栓连接。预制节点分两种类型：环形钢构件1与辐射钢构件2相交位置的Y字型连接节点4，辐射钢构件2与角部钢构件3相交位置的十字型连接节点5。Y字型连接节点4位于环形钢构件1与辐射钢构件2交点位置，Y字型连接节点4为使用碳素结构钢制作的成品构件，能够重复使用。十字型连接节点5位于辐射钢构件2与角部钢构件3交点位置，十字型连接节点5为使用碳素结构钢制作的成品构件，能够重复使用。钢拉杆6在十字型连接节点5与钢支座7之间位置，钢拉杆6根据支撑布置情况单独设计；钢支座7位于辐射钢构件2、角部钢构件3、钢拉杆6及冠梁8交点位置，钢支座7根据设计施工情况单独加工，焊接于冠梁中预埋钢板上，如支撑未设置在冠梁位置，根据实际情况设置单独的混凝土腰梁或钢结构桁架腰梁。
附图说明
图1装配式环形钢结构内支撑结构体系3D示意图；
图2装配式环形钢结构内支撑结构体系俯视图；
图3环形钢构件与辐射钢构件连接示意图；
图4角部钢构件与辐射钢构件连接示意图；
图5环形钢构件1边长与其外接圆直径的关系简图；
附图标记：1-环形钢构件、2-辐射钢构件、3-角部钢构件、4-Y字型连接节点、5-十字型连接节点、6-钢拉杆、7-钢支座组成、8-冠梁。
具体实施方式
一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系设计方法，该设计方法的核心要点为环形钢构件1边数选择、环形钢构件1边长确定、角部钢构件3布置等内容。装配式环形钢结构内支撑结构体系中，环形钢构件1位于装配式环形够结构内支撑结构体系的中部位置，是由多段直线支撑组成正多边形的近圆环形支撑，在多边形角点位置设置Y字型连接节点4；辐射钢构件2以基坑对角线为对称轴对称布置，辐射钢构件2与角部钢构件3交点位置设置十字型连接节点5；角部钢构件3位于装配式环形够结构内支撑结构体系的角部位置；十字型连接节点5与钢支座7之间设置钢拉杆6，辐射钢构件2、角部钢构件3、钢拉杆6及冠梁8交点位置设置钢支座7。通过环形钢构件1、辐射钢构件2、角部钢构件3、Y字型连接节点4、十字型连接节点5、钢拉杆6及钢支座7之间的布置及相互连接，形成了一种将拱形支撑良好的受力性能和钢支撑的优点相结合、充分利用材料性能、安装拆除方便、可实现工业化生产、构件可周转使用、废料可回收的内支撑结构体系。
装配式环形钢结构内支撑结构体系设计要点如下：
(1)装配式环形钢结构内支撑结构体系设计时，对于比较常见的基坑尺寸(40m～100m)，环形钢构件1边数选择正24边形、正28边形及正32边形时，可在较大基坑尺度范围内选择有较为合适的支座间距，优选为正24边形及正28边形。环形钢构件1边数选择时应同时考虑临时立柱间距不宜过小及支座间距不宜过大两个条件。
(2)装配式环形钢结构内支撑结构体系中环形钢构件1对基坑位移及内力分布影响显著，故根据基坑形状的不同，综合考虑作业空间和基坑变形的控制要求，合理选择环形钢构件1边长。装配式环形钢结构内支撑结构体系设计时，环形钢构件1边长可在7～12m范围选择，优选为9m。
(3)装配式环形钢结构内支撑结构体系设计时，在增加了角部钢构件3后，环形钢构件1剪力值减小明显，即整个环形钢构件1所受的水平压力更为均匀，更加接近均匀受力状态，对发挥环形钢构件1的受力优势更加有利，在施工空间条件允许时，基坑每个角应设置两个角部钢构件3。
环形钢构件1边数选择
环形钢构件1是多段直线支撑组成正多边形的近圆环形支撑，在多边形角点位置设置Y字型连接节点4和十字型连接节点5，钢支撑连接节点附近设置临时立柱。选择合理的多边形边长及多边形边数即可确定环形钢构件1的形状。按不影响主体结构施工及基坑开挖方便的原则，临时立柱间距通常可在7～12m范围内选择，如杆件受力条件允许可进一步加大间距。环形钢构件1边长与其外接圆直径的关系如图3所示，并可通过三角关系推导得出相应的计算公式。
r＝(l/2)/cos(α/2) (2)
式中:r为圆的半径；
N为圆的内接正多边形的边数；
α为圆的内接正多边形的内角；
l为圆的内接正多边形的边长。
根据以上公式，可计算的出N边形环形钢构件1对应的内环撑外接圆的直径。随着环形钢构件1多边形边数的减少，辐射钢构件2的支座间距将快速增加，而支座间距的增加将导致冠梁8或腰梁的弯矩值快速增加，因此环形钢构件1多边形边数不宜过少。环形钢构件1多边形边数选择时应同时考虑临时立柱的间距及支座间距不宜过大两个条件。对于比较常见的基坑尺寸(40m～100m)，选择正20边、正24边及正28边形即可覆盖，且每种形式都有较大的覆盖尺度。
环形钢构件1边长确定：
当环形钢构件1边长较大时，作业空间宽敞，便于架设支撑和土方开挖，能有效提高施工效率，但随着环形钢构件1边长的增加，基坑位移增大，不利于控制基坑变形；当环形钢构件1边长减小时，基坑位移减小。环形钢构件1边长减小，对控制基坑位移更加有利，但会导致作业空间狭窄，不便于架设支撑、土方开挖及后续结构施工。实际工程中，应该根据基坑形状不同，综合考虑作业空间和基坑变形控制要求，合理选择则环形钢构件1边长。装配式环形钢结构内支撑结构体系设计时，环形钢构件1边长可在7～12m范围选择，优选为9m。
角部钢构件3布置：
在布置了环形钢构件1和辐射钢构件2后，基坑的角部辐射钢构件2杆件较长，相邻辐射钢构件2间距较大，该范围内支撑刚度较低。同时辐射钢构件2在基坑角部与冠梁8夹角变小，其能提供的抵抗基坑变形的分量也相应减小。这些势必造成基坑角部变形增加，因此有必要增强该范围支撑刚度，本体系的加强方式为设置角部钢构件3。在增加了角部钢构件3后，环形钢构件1内剪力值减小明显，即整个环形钢结构内支撑所受的水平压力更为均匀，更加接近均匀受力状态，对发挥环形钢结构内支撑的受力优势更加有利。
角部钢构件3的架设通过角部的土压力相互平衡，使作用于环形钢结构内支撑的压力减少并更加均匀，有效降低环形钢结构内支撑的轴向压力和弯矩，且距冠梁8或腰梁跨中较近位置处设置角部钢构件3对减小弯矩和轴力更加有效。因此在施工空间条件允许时基坑每个角应设置2道角部钢构件3。设置更多角部钢构件3需要缩小环形钢结构内支撑，减小无支撑面积，同时增加辐射钢构件2和角部钢构件3相交时的连接节点，增加施工难度，如非必要不建议设置。
连接节点设计
环形钢构件1、辐射钢构件2及角部钢构件3之间的交叉位置均通过预制节点法兰螺栓连接。预制节点分两种类型：环形钢构件1与辐射钢构件2相交位置的Y字型连接节点4，辐射钢构件2与角部钢构件3相交位置的十字型连接节点5。Y字型连接节点4位于环形钢构件1与辐射钢构件2交点位置，Y字型连接节点4为使用碳素结构钢制作的成品构件，可重复使用。十字型连接节点5位于辐射钢构件2与角部钢构件3交点位置，十字型连接节点5为使用碳素结构钢制作的成品构件，可重复使用。钢拉杆6在十字型连接节点5与钢支座7之间位置，钢拉杆6根据支撑布置情况单独设计；钢支座7位于辐射钢构件2、角部钢构件3、钢拉杆6及冠梁8交点位置，钢支座7根据设计施工情况单独加工，焊接于冠梁中预埋钢板上，如支撑未设置在冠梁位置，可根据实际情况设置单独的混凝土腰梁或钢结构桁架腰梁。

Claims (7)

1.一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系，其特征在于：装配式环形钢结构内支撑结构体系中，环形钢构件(1)位于装配式环形够结构内支撑结构体系的中部位置，是由多段直线支撑组成正多边形的近圆环形支撑，在多边形角点位置设置Y字型连接节点(4)；辐射钢构件(2)以基坑对角线为对称轴对称布置，辐射钢构件(2)与角部钢构件(3)交点位置设置十字型连接节点(5)；角部钢构件(3)位于装配式环形够结构内支撑结构体系的角部位置；十字型连接节点(5)与钢支座(7)之间设置钢拉杆(6)，辐射钢构件(2)、角部钢构件(3)、钢拉杆(6)及冠梁(8)交点位置设置钢支座(7)；通过环形钢构件(1)、辐射钢构件(2)、角部钢构件(3)、Y字型连接节点(4)、十字型连接节点(5)、钢拉杆(6)及钢支座(7)之间的布置及相互连接。
2.利用权利要求1所述的装配式环形钢结构内支撑结构体系进行的设计方法，其特征在于：该方法的实施过程如下，
S1对基坑进行围护结构设计；
S2根据基坑围护结构荷载值，设计装配式环形钢结构内支撑；
S3装配式环形钢结构内支撑边数选择；
S4环形钢构件(1)边长确定；
S5布置辐射钢构件(2)；
S6布置角部钢构件；
S7设计Y字型连接节点(4)、十字型连接节点(5)；
S8设计钢拉杆；
S9设计钢支座及冠梁。
3.根据权利要求2所述的一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系设计方法，其特征在于：该设计方法的核心要点为环形钢构件(1)边数选择、环形钢构件(1)边长确定、角部钢构件(3)布置；
装配式环形钢结构内支撑结构体系设计要点如下：
(1)装配式环形钢结构内支撑结构体系设计时，对于基坑尺寸40m～100m，环形钢构件(1)边数选择正24边形、正28边形或正32边形，在基坑尺寸大于40m～100m时，选择正24边形或正28边形；
(2)装配式环形钢结构内支撑结构体系中环形钢构件(1)对基坑位移及内力分布影响显著，根据基坑形状的不同，综合考虑作业空间和基坑变形的控制要求，选择环形钢构件(1)边长；装配式环形钢结构内支撑结构体系设计时，环形钢构件(1)边长在7～12m范围选择；
(3)装配式环形钢结构内支撑结构体系设计时，在增加角部钢构件(3)后，环形钢构件(1)剪力值减小，基坑每个角设置两个角部钢构件(3)。
4.根据权利要求3所述的一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系设计方法，其特征在于：环形钢构件(1)是多段直线支撑组成正多边形的近圆环形支撑，在多边形角点位置设置Y字型连接节点(4)和十字型连接节点(5)，钢支撑连接节点附近设置临时立柱；按不影响主体结构施工及基坑开挖方便的原则，临时立柱间距在7～12m；相应的计算公式如下：
r＝(l/2)/cos(α/2) (2)
式中：r为圆的半径；
N为圆的内接正多边形的边数；
α为圆的内接正多边形的内角；
l为圆的内接正多边形的边长。
5.根据权利要求3所述的一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系设计方法，其特征在于：计算的出N边形的环形钢构件(1)对应的内环撑外接圆的直径；随着环形钢构件(1)多边形边数的减少，辐射钢构件(2)的支座间距将快速增加，而支座间距的增加将导致冠梁(8)或腰梁的弯矩值快速增加；环形钢构件(1)多边形边数选择时需要同时考虑临时立柱的间距及支座间距两个条件。
6.根据权利要求3所述的一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系设计方法，其特征在于：环形钢构件(1)边长确定，根据基坑形状不同，综合考虑作业空间和基坑变形控制要求再选择则环形钢构件(1)边长；装配式环形钢结构内支撑结构体系设计时，环形钢构件(1)边长在7～12m。
7.根据权利要求3所述的一种用于深基坑支护的装配式环形钢结构内支撑结构体系设计方法，其特征在于：环形钢构件(1)、辐射钢构件(2)及角部钢构件(3)之间的交叉位置均通过预制节点法兰螺栓连接；预制节点分两种类型：环形钢构件(1)与辐射钢构件(2)相交位置的Y字型连接节点(4)，辐射钢构件(2)与角部钢构件(3)相交位置的十字型连接节点(5)；Y字型连接节点(4)位于环形钢构件(1)与辐射钢构件(2)交点位置，Y字型连接节点(4)为使用碳素结构钢制作的成品构件，能够重复使用；十字型连接节点(5)位于辐射钢构件(2)与角部钢构件(3)交点位置，十字型连接节点(5)为使用碳素结构钢制作的成品构件，能够重复使用；钢拉杆(6)在十字型连接节点(5)与钢支座7之间位置，钢拉杆6根据支撑布置情况单独设计；钢支座(7)位于辐射钢构件(2)、角部钢构件(3)、钢拉杆(6)及冠梁(8)交点位置，钢支座(7)根据设计施工情况单独加工，焊接于冠梁中预埋钢板上。
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