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[分享]不土不木 | 通过实例来讲解支撑系统的设计
支撑系统的设计应包含支撑材料的选择、结构体系的布置、支撑结构内力和变形计算、支撑构件的强度和稳定性计算、支撑构件的节点设计以及支撑结构的安装和拆除。
一、水平支撑系统平面布置原则
水平支撑系统中内支撑与围檩必须形成稳定的结构体系，有可靠的连接，满足承载力、变形和稳定性要求。支撑系统的平面布置形式众多，从技术上，同样的基坑工程采用多种支撑平面布置形式均是可行的，但科学、合理的支撑布置形式应是兼顾了基坑工程特点、主体地下结构布置以及周边环境的保护要求和经济性等综合因素的和谐统一。通常情况下可采用如下方式：
1）长条形基坑工程中，可设置以短边方向的对撑体系，两端可设置水平角撑体系。短边方向的对撑体系可根据基坑短边的长度、土方开挖、工期等要求采用钢支撑或者混凝土支撑，两端的角撑体系从基坑工程的稳定性以及控制变形角度上，宜采用混凝土支撑的形式。
如已实施完毕的上海浦东恒大小区基坑工程，基坑形状呈狭长的手枪状，基坑东西方向长度较长约为 240m，西侧南北方向长度约为 43m，东侧南北方向长度约为 83m。综合考虑工程周边环境、基坑面积及形状、基坑开挖深度以及工期等因素，支撑系统采用了钢和混凝土组合支撑的形式，东侧基坑角撑结合对撑的混凝土支撑形式，西侧基坑采用角部混凝土支撑，短边设置钢支撑对撑的形式。
2）当基坑周边紧邻保护要求较高建（构）筑物、地铁车站或隧道，对基坑工程的变形控制要求较为严格时，或者基坑面积较小、两个方向的平面尺寸大致时，或者基坑形状不规则，其他形式的支撑布置有较大难度时，宜采用相互正交的对撑布置方式。该布置型式的支撑系统具有支撑刚度大、传力直接以及受力清楚的特点，适合在变形控制要求高的基坑工程中应用。
上海解放日报新闻业务楼基坑地处上海市黄浦区中心位置，基坑形状呈不规则矩形，基坑面积较小约为 2300m2 ，开挖深度约为 12m，基坑东侧紧邻一高层建筑物，根据本基坑的面积、形状以及周围的环境特点，采用了抗侧刚度大、可适应不规则形状的十字正交布置形式的钢筋混凝土支撑形式。
3）当基坑面积较大，平面形状不规则时，同时在支撑平面中需要留设较大作业空间时，宜采用角部设置角撑、长边设置沿短边方向的对撑结合边桁架的支撑体系。该类型支撑体系由于具有较好的控制变形能力、大面积无支撑的出土作业面以及可适应各种形状的基坑工程，同时由于支撑系统中对撑、各榀对撑之间具有较强的受力上的独立性，易于实现土方上的流水化施工，此外还具有较好的经济性，因此几乎成为上海等软土地区首选的支撑平面布置形式，近年来得到极为广泛的应用。
上海虹桥综合交通枢纽工程东交通中心、磁悬浮基坑工程面积巨大，地下二层区域长约404m，宽约 77～136m，基坑开挖深度约 18～25m，基坑形状呈不规则长方形。根据基坑形状的特点，采用了两端角撑中部对撑的支撑布置形式，该布置形式的支撑为流水化施工支撑和土方开挖创造了条件，从而大大加快了基坑工程的施工速度和缩短了施工工期。
4）基坑平面为规则的方形、圆形或者平面虽不规则但基坑两个方向的平面尺寸大致相等，或者是为了完全避让塔楼框架柱、剪力墙等竖向结构以方便施工、加快塔楼施工工期，尤其是当塔楼竖向结构采用劲性构件时，临时支撑平面应错开塔楼竖向结构，以利于塔楼竖向结构的施工，可采用单圆环形支撑甚至多圆环形支撑布置方式。
天津响螺湾中钢大厦项目位于天津市响螺湾地区，基坑开挖深度达到18~22m，基坑面积达到 2万m2 ，是当地规模最大的基坑工程之一。根据围护结构受力计算的需要，本工程内部需设置四道钢筋混凝土支撑体系。由于平面形状不规则，采用较为传统的角撑、对撑结合边桁架布置，需要设置大量穿越基坑内部的杆件，不利于土方的开挖和地下室结构的的施工。因此结合本工程的平面形状和塔楼的分布位置，采用双半圆环的支撑平面布置体系。双半圆环支撑形式的采用，基本上避开了整个塔楼区域的所有竖向构件，基坑开挖到底后，完成基础底板施工后，两个主要的地面建筑即可在不拆撑的情况下向上施工主体结构，加快整体工期进度。
上述圆环形支撑形式的支撑杆件均采用钢筋混凝土材料，在一定条件下也可采用组合结构环形内支撑的形式，该形式与钢筋混凝土环形支撑基本相似，其根本区别在于组合结构环形内支撑形式中，环形支撑由于需承受巨大的轴向压力，因此采用钢筋混凝土支撑材料，其余杆件承受的轴向压力相对较小，采用施工速度快、可回收以及经济性较好的钢结构材料截面承载力也能满足要求。
下图16-13为新华明珠深基坑支护工程采用组合结构环形内支撑的基坑工程实景，该基坑支撑采用钢筋混凝土大圆环，圆环直径68m，其余杆件均采用钢结构，实施效果良好。
5）基坑平面有向坑内折角（阳角）时，阳角处的内力比较复杂，是应力集中的部分，稍有疏忽，最容易在该部分出现问题。阳角的处理应从多方面进行考虑，首先基坑平面的设计应尽量避免出现阳角，当不可避免时，需作特别的加强，如在阳角的两个方向上设置支撑点，或者可根据实际情况将该位置的支撑杆件设置现浇板，通过增设现浇板增强该区域的支撑刚度，控制该位置的变形。无足够的经验可借鉴时，最好对阳角处的坑外地基进行加固，提高坑外土体的强度，以减少围护墙体的侧向水土压力。
6）支撑结构与主体地下结构的施工期通常是错开的，为了不影响主体地下结构的施工，支撑系统平面布置时，支撑轴线应尽量避开主体工程的柱网轴线，同时，避免出现整根支撑位于结构剪力墙之上的情况，其目的是减小支撑体系对主体结构施工时的影响。 另外，如主体地下结构竖向结构构件采用内插钢骨的劲性结构时，应严格复核支撑的平面分布，确保支撑杆件完全避让劲性结构。
7）支撑杆件相邻水平距离首先应确保支撑系统整体变形和支撑构件承载力在要求范围之内，其次应满足土方工程的施工要求。当支撑系统采用钢筋混凝土围檩时，沿着围檩方向的支撑点间距不宜大于9m；采用钢围檩时，支撑点间距不宜大于4m；当相邻支撑之间的水平距离较大时，应在支撑端部两侧与围檩之间设置八字撑，八字撑宜左右对称，与围檩的夹角不宜大于60度。
二、水平支撑系统竖向布置原则
在基坑竖向平面内需要布置的水平支撑的数量，主要根据基坑围护墙的承载力和变形控制计算确定，同时应满足土方开挖的施工要求。基坑竖向支撑的数量主要受土层地质特性以及周围环境保护要求的影响。基坑面积、开挖深度、围护墙设计以及周围环境等条件都相同的条件下，不同地区不同土层地质特性情况下，支撑的数量区别是十分显著的，如开挖深度15m 的基坑工程，在北方等硬土地区也许无需设置内支撑，仅在坑外设置几道锚杆即可满足要求，而在沿海软土地区，则可能需要设置三～四道水平支撑；另外即使在土层地质一致的
地区，当周围环境保护要求有较大的区别时，支撑道数也是相差较大的。一般情况下，支撑系统竖向布置可按如下原则进行确定：
1）在竖向平面内，水平支撑的层数应根据基坑开挖深度、土方工程施工、围护结构类型及工程经验，有围护结构的计算工况确定。
2）上、下各层水平支撑的轴线应尽量布置在同一竖向平面内，主要目的是为了便于基坑土方的开挖，同时也能保证各层水平支撑共用竖向支承立柱系统。此外，相邻水平支撑的净距不宜小于 3m，当采用机械下坑开挖及运输时应根据机械的操作所需空间要求适当放大。
3）各层水平支撑与围檩的轴线标高应在同一平面上，且设定的各层水平支撑的标高不得妨碍主体工程施工。水平支撑构件与地下结构楼板间的净距不宜小于 300mm；与基础底板间净距不小于600mm，且应满足墙、柱竖向结构构件的插筋高度要求。
4）首道水平支撑和围檩的布置宜尽量与围护墙结构的顶圈梁相结合。在环境条件容许时，可尽量降低首道支撑标高。基坑设置多道支撑时，最下道支撑的布置在不影响主体结构施工和土方开挖条件下，宜尽量降低。当基础底板的厚度较大，且征得主体结构设计认可时，也可将最下道支撑留置在主体基础底板内。
三、竖向斜撑的设计
竖向斜撑体系一般较多的应用在开挖深度较小、面积巨大的基坑工程中。竖向斜撑体系一般由斜撑、压顶圈梁和斜撑基础等构件组成，斜撑一般投影长度大于 15m 时应在其中部设置立柱。斜撑一般采用钢管支撑或者型钢支撑，钢管支撑一般采用Ф609×16，型钢支撑一般采用H700×300、H500×300 以及 H400×400，斜撑坡率不宜大于1：2，并应尽量与基坑内土堤的稳定边坡坡率相一致，同时斜撑基础与围护墙之间的水平距离也不宜小于围护墙插入深度的 1.5 倍，斜撑与围檩及斜撑与基础之间的连接，以及围檩与围护墙之间的连接应满足斜撑的水平分力和竖向分力的传递要求。
采用竖向斜撑体系的基坑，在基坑中部的土方开挖后和斜撑未形成前，基坑变形取决于围护墙内侧预留的土堤对墙体所提供的被动抗力，因此保持土堤边坡的稳定至关重要，必须通过计算确定可靠的安全储备。
四、支撑节点构造
支撑结构，特别是钢支撑的整体刚度更依赖构件之间的合理连接构造。支撑结构的设计，除确定构件截面外，须重视节点的构造设计。
1. 钢支撑的长度拼接
钢结构支撑构件的拼接应满足截面等强度的要求。常用的连接方式有焊接和螺栓连接。
螺栓连接施工方便但整体性不如焊接，为减少节点变形，宜采用高强螺栓。构件在基坑内的接长，由于焊接条件差，焊缝质量不易保证，通常采用螺栓连接。
钢腰梁在基坑内的拼接点由于受操作条件限制不易做好，尤其在靠围护墙一侧的翼缘连接板较难施工，影响整体性能。设计时应将接头设置在截面弯矩较小的部位，并应尽可能加大坑内安装段的长度，以减少安装节点的数量。
2. 两个方向的钢支撑连接节点
纵横向支撑采用重迭连接，虽然施工安装方便，但支撑结构整体性差，应尽量避免采用。
当纵横向支撑采用重迭连接时，则相应的围檩在基坑转角处不在同一平面相交，此时应在转角处的围檩端部采取加强的构造措施，以防止两个方向上围檩的端部产生悬臂受力状态。
纵横向支撑应尽可能设置在同一标高上，采用定型的十字节点连接。这种连接方式整体性好，节点比较可靠。节点可以采用特制的“十”及“井”字接头，纵横管都与“十”字或“井”字接头连接，使纵横钢管处于同一平面内。后者可以使钢管形成一个平面框架，刚度大，受力性能好。
3. 钢支撑端部预应力活络头构造
钢支撑的端部，考虑预应力施加的需要，一般均设置为活络端，待预应力施加完毕后固定活络端，且一般配与琵琶撑。除了活络端设置在钢支撑端部外，还可以采用螺旋千斤顶等设备设置在支撑的中部。由于支撑加工及生产厂家不同，目前投入基坑工程使用的活络端有以下两种形式，一种为契型活络端、一种为箱体活络端。详见下图。
钢管支撑为了施加预应力常设计一个预应力施加活络头子，并采用单面施加的方法进行。由于预应力施工后会产生各种预应力损失（详见预应力相关规范），基坑开挖变形后预应力也会发生损失，为了保证预应力的强度，当发现预应力损失达到一定程度时须及时进行补充，复加预应力。
4. 钢支撑与钢腰梁斜交处抗剪连接节点
由于围护墙表面通常不十分平整，尤其是钻孔灌注桩墙体，为使钢围檩与围护墙接合得紧密，防止钢围檩截面产生扭曲，在钢围檩与围护墙之间采用细石混凝土填实，如二者之间缝宽较大时，为了防止所填充的混凝土脱落，缝内宜放置钢筋网。当支撑与围檩斜交时，为传递沿围檩方向的水平分力，在围檩与围护墙之间需设置剪力传递装置。对于地下连续墙可通过预埋钢板，对于钻孔灌注桩可通过钢围檩的抗剪焊接件。
5. 支撑与混凝土腰梁斜交处抗剪连接节点
通常情况下，围护墙与混凝土围檩之间的结合面不考虑传递水平剪力。当基坑形状比较复杂，支撑采用斜交布置时，特别是当支撑采用大角撑的布置形式时，由于角撑的数量多，沿着围檩长度方向需传递十分巨大的水平力，此时如围护墙与围檩之间应设置抗剪件和剪力槽，以确保围檩与围护墙能形成整体连接，二者接合面能承受剪力，可使得围护墙也能参与承受部分水平力，既可改善围檩的受力状态、又可减少整体支撑体系的变形。围护墙与围檩结合面的墙体上设置的抗剪件一般可采用预埋插筋，或者预埋埋件，开挖后焊接抗剪件，预留的剪力槽可间隔抗剪件布置，其高度一般与围檩截面相同，间距 150～200mm，槽深 50～70mm。
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