干货 | 中日两国基坑钢支撑体系设计的对比分析

我国虽然对基坑钢结构支撑的研究与应用开始较早， 然而由于政策导向、材料与人力资源成本的原因，钢结构支撑并未得到大规模推广应用， 而基坑钢结构支撑在日本已发展为主要的基坑支撑形式。

通过对比我国与日本的钢结构支撑体系设计方法，明确了两国设计方法的异同，为进一步研究与推进钢结构支撑体系在我国的应用提供了参考。

基坑支撑系统包括钢筋混凝土支撑体系和钢结构支撑体系两种。传统的钢筋混凝土支撑体系需要较长的制作和养护时间，制作后不能立即发挥支撑作用；拆除混凝土支撑的工作量大、粉尘污染严重、振动大、噪声大，且材料不能重复使用，不符合目前绿色施工的要求。地下钢支撑系统可以很好地克服钢筋混凝土支撑系统的上述缺点，不仅如此，钢结构支撑体系可通过液压千斤顶施加预压力，实时监控并调节支撑力，实现基坑位移的严格控制，以满足基坑周边地铁、重要管线等对基坑开挖环境效应的严苛要求。

钢支撑体系由水平型钢支撑、 型钢立柱以及钢腰梁组成。与钢筋混凝土支撑体系相比，基坑钢支撑体系具有如下优点：

    ① 自重轻、安装和拆除方便；

    ② 施工速度快、可以重复利用；

    ③ 安装后能立即发挥支撑作用，对减小由于时间效应而产生的支护结构位移十分有效；

    ④ 可通过千斤顶施加预压力，实时监控并调节支撑力。

常见的基坑钢支撑体系有型钢支撑和钢管支撑两种。

↑ 型钢支撑

↑ 钢管支撑

我国于2011年1月出版了图集《建筑基坑支护结构构造》11SG814，该图集给出了钢支撑系统常用的技术参数与节点构造；于1999年9月出版并于2012年修订了行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012，该标准给出了钢支撑系统的设计计算方法。

国内较早成功应用基坑钢结构支撑体系的典型案例为1998年获得北京市科技进步三等奖的北京国贸二期项目。该项目基坑东西长约256m，南北宽约51m，开挖深度18.6m，设3层水平支撑。钢支撑的布置如下:每隔8m左右布1道横撑，角部设斜撑，在基坑宽度方向设3排立柱，在支撑与立柱交汇处设系杆。

↑ 北京国贸二期钢支撑布置平面

钢筋混凝土支撑由于刚度大、成本低、施工方法相对简单，占据了我国基坑支护的主要市场。钢支撑仅在对基坑位移要求较为严格的基坑中得到较多应用，且常采用第1道支撑为钢筋混凝土支撑，第2道支撑为钢支撑的做法。

↑ 钢支撑与钢筋混凝土支撑结合

国内钢支撑常用的材料有钢管和型钢2种。钢管多用609钢管，型钢支撑多用H型钢，组合型钢也可作为钢支撑。钢管支撑为中心对称截面，在压力作用下平面内外稳定性一致，因而应用最为广泛。由于钢支撑的刚度约为钢筋混凝土支撑的1/5 ～ 1/10， 内公认钢支撑的适用范围为跨度40m形状的规则基坑。钢支撑体系常用的平面布置形式有对撑、角撑、边桁架、边框架、圆拱形撑等。

一般情况下对于平面形状接近方形且尺寸不大的基坑，宜采用角撑；对于形状接近方形但尺寸较大的基坑，宜采用环形、边桁架支撑；对于长方形基坑，宜采用对撑或对撑加角撑。

↑ 钢支撑典型平面布置

钢管支撑的接头形式有焊接和螺栓连接2种，螺栓连接现场拼装便捷、无焊接残余应力问问题，因而在实际应用中较为常见。

↑ 钢管支撑螺栓连接

为克服钢支撑刚度小的缺点， 可将钢支撑与液压千斤顶配合使用， 对钢支撑施加可调节的轴压力，提高支撑的刚度。在对钢支撑施加预加力的基础上， 我国于2000年左右开始研发基坑位移监测技术，并将两种技术相结合， 形成了钢支撑轴力自动伺服系统。实现了液压千斤顶对钢支撑施加轴力的实时监测与调整。

除传统钢支撑体系外，近年来国内从韩国引进一种新型的钢支撑体系：鱼腹梁钢支撑体系。该体系通过对鱼腹梁弦上的钢绞线施加预应力，形成了大跨度的腰梁结构，经与角撑 对撑和三角形连接点组合，形成一个平面预应力支撑系统。其由鱼腹梁腰梁、 钢绞线、 三角形连接点、 预压顶紧装置、 角撑、对撑、立柱和牛腿等部件组成。该体系最大优点是支撑占空间小， 可为基坑土方开挖提供开阔的空间。

↑ 鱼腹梁钢支撑体系

综上所述， 地下钢支撑体系在我国的研究与应用开始较早， 拥有配套的设计规范与图集， 并研发应用了配套的轴力自动伺服系统， 引进了鱼腹梁钢支撑体系。然而，由于钢筋混凝土支撑刚度大、施工简单、钢材历史价格高等原因，钢筋混凝土支撑仍然是最主要的支撑形式。钢支撑系统仅在地铁、隧道、重要管线沿线等对基坑位移要求严苛的基坑中应用较多。

1、日本基坑钢支撑种类

根据日本的《环境基本法》、《资源有效利用促进法》，日本对建筑垃圾的主导方针是尽可能不从施工现场排出建筑垃圾。由于钢筋混凝土支撑最终需要凿除外运，形成建筑垃圾， 而钢支撑为装配式结构体系，绿色环保，可重复利用，不产生建筑垃圾。因此，基坑钢支撑体系在日本得到广泛应用，是基坑支撑的主要结构形式。

日本的基坑钢支撑体系有以下几种：水平支撑体系、拉锚体系、斜撑体系与拉杆体系。其基本结构形式如图所示。

↑ 日本钢支撑体系基本结构形式

其中，水平支撑体系由型钢腰梁、双向水平支撑梁、端部斜撑、角撑和立柱组成。

↑ 水平支撑体系结构组成

2、中日水平钢支撑体系设计方法对比

2.1、设计依据对比

日本的水平钢支撑设计依据为《道路土工仮設構造物工指針》；中国的基坑钢支撑设计依据为《基坑支护技术规程》 JGJ120—2012 和《钢结构设计规范》 GB50017-2003

2.2、腰梁设计方法对比

日本将钢腰梁的计算模型简化为两端简支的压弯构件， 以45°端部斜撑为例， 其计算跨度为 l1 +l2 ( 见图) ， 轴压力的计入跨度如下图所示；中国将钢腰梁的计算模型简化为连续梁， 构件也按压弯构件计算， 但计算跨度为相邻支撑点的中心距。

↑ 腰梁计算跨度

↑ 腰梁轴压力计入范围

2.3、水平支撑设计方法对比

日本将水平支撑的计算模型简化为以支撑为支座的简支梁， 按压弯构件计算。弯矩为支撑在自重以及竖向施工荷载作用下产生的， 轴力为基坑侧壁传递的压力， 水平支撑计入侧向压力的范围。

↑ 水平支撑计入侧向压力范围

中国也按压弯构件设计水平支撑， 但模型简化规则如下：有立柱时，宜按空间框架计算；当竖向荷载较小时，可按连续梁计算，计算跨度可取相邻立柱的中心距。

日本的水平支撑绕强轴计算长度为相邻立柱间距， 若无立柱， 则为支撑全长；中国的水平支撑绕强轴计算长度规则与日本相同。

日本的水平支撑绕弱轴的计算长度有以下几种情况：支撑两端均为基坑侧壁或立柱，计算长度为 l；支撑一端为基坑侧壁或立柱，另一端为垂直相交的水平支撑，计算长度为1.5l；支撑两端均为垂直相交的水平支撑，计算长度为1.5l。

中国的水平支撑绕弱轴的计算长度规则如下：无水平支撑交汇， 取支撑实际长度；有水平支撑杆件交汇，取与支撑相交相邻水平支撑杆中心距；水平支撑交汇点不在同一平面， 取与支撑相交的相邻水平支撑杆件中心间距的1.5 倍。

日本的水平支撑温度荷载取值为1t /℃；而中国的水平支撑温度荷载按经验取值， 长度超过40m的支撑考虑的支撑内力变化。

2.4、立柱设计方法对比

日本将立柱简化为轴压构件；中国的模型简化方法如下：当支撑体系按框架计算时， 将立柱简化为偏心受压构件；当支撑体系水平构件按连续梁计算时， 将立柱简化为轴心受压构件。

↑ 立柱计算长度

日本的立柱计算长度如图所示，中国的立柱计算长度规则如下：底层立柱计算长度至基坑底面的净高度与立柱直径或边长的5倍之和；其他层立柱计算长度2层水平支撑间的中心距。

与传统的钢筋混凝土基坑支撑相比， 钢结构支撑具有“绿色环保、可重复利用、能快速形成刚度”等优点，并可通过与液压千斤顶配套使用对支撑施加并实时调整预压力。我国虽然对基坑钢结构支撑的研究与应用开始较早，然而由于政策导向、材料与人力资源成本的原因， 钢结构支撑并未得到大规模推广应用。相反，基坑钢结构支撑在日本已发展为主要的基坑支撑形式。本文通过对比中国与日本的钢结构支撑体系设计方法，明确了两国设计方法的异同，为进一步研究与推进钢结构支撑体系在我国的应用提供了参考。