随着我国经济迅猛发展，推动了城市化及城镇人口数量增长，导致城市用地的日益紧张。为了能够有效地提高土地使用率，各大城市不断涌现出高层、超高层建筑以及地下商场、人防工程、地下轨道交通、地下车库、地下市政管线设施等，促使基坑工程如火如荼的开展。

基坑工程研究始于20世纪30年代。Terzaghi、Peck等提出了总应力法用于预估土方开挖稳定性及相应支撑荷载，该方法于20世纪60年代改进后沿用至今。我国在基坑工程方面的研究建设始于20世纪80年代。侯学渊通过模拟计算分析了影响基坑周边地表沉降的因素，得出坑外地表沉降的规律，提出了估算坑外地表沉降的方法。21世纪后我国基坑工程技术进入发展阶段。随后北京、上海、天津等地陆续出台了建筑基坑工程相关技术规程，同时开展了各种基坑支护技术工程。目前，国内基坑支护工程中所采用的内支撑通常为钢筋混凝土支撑和钢支撑两种形式。基坑支护结构具有临时性特点，内支撑拆除常用的方法有爆破法和机械拆除法两种。爆破法拆除速度快，但会对周围环境带来噪声污染，且安全管理难度极大，不适用于人口密集的城市中心项目。机械拆除法施工安全隐患小，但施工速度慢，人力物力投入大。因此，目前工程界迫切需要研发一种可重复利用的装配式基坑支护体系。

本文根据基坑支护中内支撑的受力特点，提出一种基坑工程中可重复利用的装配式钢支撑支护体系专利技术。该节点受力明确、构造简单、施工质量可控，拆除后可重复利用。

与现有工程中通常采用的钢筋混凝土内支撑或钢内支撑的支护体系相比，可装配式钢支撑支护体系兼顾结构性能、经济性和施工效率，符合我国国情，具有推广价值。本文以某工程基坑支护结构为背景，对装配式钢支撑基坑支护结构体系的可行性及稳定性进行分析。

装配式钢支撑基坑支护结构体系由按照标准化规格生产的钢支撑、连接节点、竖向支撑组成。所用钢支撑、钢支撑连接节点均由工厂预制成型。连接节点内部设置有加劲肋，确保节点具有足够的刚度，可有效传递轴力、剪力和弯矩。连接节点可与设置在不同方向的水平支撑连接，满足不同角度钢支撑连接的需要，如图1、图2所示。其特征在于：所有预制水平撑杆和竖向钢管柱之间采用柱筒式节点连接；所有柱筒式节点包括连接钢管、多根水平外伸短臂和多根竖向外伸短臂，水平外伸短臂和竖向外伸短臂固接在连接钢管外部；水平外伸短臂与预制水平撑杆连接，竖向外伸短臂与竖向钢管柱连接。以天津某实际工程项目基坑支护方案为例，结构体系布置如图2所示。该工程基坑长200 m、宽50 m，预制水平撑杆构件为长7，8 m或10 m的标准长度直杆，所有钢管构件的截面均为相同尺寸的直径500 mm、壁厚20 mm的圆管。

a—俯视；b—正视。
图1 连接节点示意

图2 结构体系布置

为全面了解基坑分布开挖过程中装配式钢支撑基坑支护结构体系的受力变化，采用有限元分析软件ABAQUS建立三维模型进行有限元分析。本文选取图3 天津某实际工程长200 m、宽50 m基坑的中间长30 m的一束装配式钢支撑基坑支护结构对撑作为对象进行分析。基坑总体深10 m，计划分三次开挖，第一次开挖3 m，第二次开挖3 m，第三次开挖4 m。施工工序为首先开挖地基土3 m后，立即加入第一道支撑，随即继续开挖3 m后立即加入第二道支撑，最后继续向下开挖4 m深。

为充分了解基坑施工过程中可能存在的各种影响，尤其是坑底隆起、基坑周围地表沉降、水平支撑的受力情况和围护结构的水平位移，建立有限元模型时对钢支撑体系及基坑实际尺寸3倍范围的土体进行建模,即长200 m、宽30 m、高50 m的土体模型。土体模型如图3所示。

图3 土体模型网格划分

在建立有限元模型过程中，根据天津地区实际工程经验，假设钻孔灌注桩挡土墙为质地均匀的连续墙体。地下连续墙与装配式钢支撑支护结构体系之间采用ABAQUS有限元分析软件中的绑定(Tie)约束，地下连续墙与模型底部边界采用固定约束；整个有限元模型侧面采用轴向约束，模型底部采用固定约束。土体模型使用实体单元建模，钢支撑体系使用梁单元建模。地下连续墙与装配式钢支撑体系模型如图4所示。

图4 连续墙与装配式钢支撑体系模型网格划分

土体有限元模型选取的土层力学参数详见表1。地下连续墙采用C30钢筋混凝土，装配式钢支撑支护结构体系采用Q345钢材，材料参数如表2所示。

表1 有限元选取的土层力学参数

表2 有限元选取的钢材参数

为了确保分析结果的精确性，同时更好更直观地反映基坑变形情况，数值模拟模型采用 ABAQUS 中 Model Change 功能，通过控制开挖过程中土体、连续墙、基坑支撑的“激活”与“钝化”，实现基坑开挖施工模拟。基坑分布开挖过程中数值模型分析步如下所示。

1)分析步1(step1)：数值模型施加重力场，完成土体在自重应力作用下的固结；

2)分析步2(step2)：施工地下连续墙，数值模型激活连续墙单元，钝化连续墙所在土体；

3)分析步3(step3)：进行第一层土体开挖，数值模型钝化第一层开挖土体；

4)分析步4(step4)：施工第一道装配式钢支撑支护结构体系，数值模型激活第一道钢支撑单元；

5)分析步5(step5)：进行第二层土体开挖，数值模型钝化第二层开挖土体；

6)分析步6(step6)：施工第二道装配式钢支撑支护体系，数值模型激活第二道钢支撑单元；

7)分析步7(step7)：开挖最后一层土体，数值模型钝化第三层开挖土体。

为了分析地基分布开挖过程中装配式钢支撑支护体系在不同荷载工况阶段的内力变化，故选取开挖完第一层土体并施工第一道装配式钢支撑支护结构的step4、开挖完第二层土体并施工第二道装配式支撑支护结构的step6及开挖完所有土体的step7进行结果分析。其中这三个分析步的土体位移云图如图5所示，钢支撑应力云图如图6所示。其中step4时土体中间最大隆起位移为0.053 m，step6时，最大位移达到0.1 m，开挖到最后step7时，最大位移为0.15 m。观察图6可以发现，装配式钢支撑支护结构在不同分析步下的应力云图均比较类似，都是横向支撑中点应力最大，并往两边逐渐减小，水平支撑应力较小。装配式钢支撑支护结构应力step6时最大，为206 MPa，远小于钢材屈服强度345 MPa。

a—step4;b—step6;c—step7。
图5 3种工况下的土体位移云图 m

a—step4;b—step6;c—step7。

图6 3种工况下钢支撑应力云图 Pa

在地下连续墙与外部土体接触的中点位置开始向外布置测点，检测基坑周围表面土体沉降并绘于图7。观察可以发现，在基坑分布开挖过程中，三次开挖土体的分析步下地表沉降最大值分别为4.1，8.3，13.3 mm。其次，在地下连续墙底部中点开始向上布置测点，检测围护结构变形曲线并绘于图8。观察可以发现，同样在基坑分布开挖过程中，三次开挖土体分析步下，基坑桩身水平侧移最大值分别为4.6，10.8，19.6 mm。结果表明：装配式钢支撑基坑支护结构体系在基坑分布开挖过程中能有效控制坑外土体沉降与围护结构的水平变形。

图7 基坑周围地表土体沉降曲线

图8 围护结构变形曲线

特征值屈曲分析是一种线性屈曲分析，可以用来预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度，由于不考虑初始缺陷和材料特性的影响，得出的数值偏于保守。对结构进行特征值分析所得到的值，可以作为非线性屈曲分析的给定荷载。通常将第一阶模态作为初始缺陷模态施加，通过一致缺陷模态法模拟初始缺陷的分布情况。本文采用ANSYS有限元分析软件选取图2结构体系中的一束对撑作为研究对象，采用ANSYS中自带的Beam188单元进行建模分析。对模型进行特征值屈曲分析后，得到了其前3阶模态，如图9所示。取一阶模态的0.16作为初始缺陷，则初始挠度为0.16/48=1/300。

a—一阶模态；b—二阶模态；c—三阶模态。
图9 结构前3阶模态

使用ANSYS有限元分析软件将特征值屈曲分析得到的包含初始缺陷的对撑复制成4份，并添加围檩和角撑，从而得到整个基坑支护体系的简化模型，详见图10。节点组件间连接皆为焊接，节点与钢管间用法兰盘与高强螺栓连接，节点在模型中简化为刚接节点，随即约束下方围檩的 y 方向平动自由度、左侧围檩的x方向平动自由度、全部四条边的 z 方向( xy 平面外)的平动自由度与全部四条边的三个方向的转动自由度。在右方围檩与上方围檩处，沿着垂直梁单元向内的方向施加线性荷载，分析得到屈服时结构应力云图如图11所示，结构总位移云图如图12所示，结构 y 方向位移云图如图13所示。

图10 非线性屈曲分析模型

图11 屈服时结构应力云图 109 Pa

图12 屈服时结构总位移云图 m

图13 屈服时结构y方向位移云图 m

观察图11可知：压应力最大值的位置皆在跨中，这与引入的初始缺陷形状密切相关；最大压应力值为349 MPa，说明结构此时已发生材料屈服。观察图12发现：最大总位移同样发生在跨中，其值为1.34603 m；模型变形与引入的初始缺陷形状一致。观察图13发现：最大竖向位移发生在荷载施加处，为12.216 cm。由此可见，当没有竖向支撑时， xy 平面外变形要远大于平面内变形。

分析非线性屈曲模型后同时建立了加腹杆时的装配式钢支撑支护结构体系模型。分析得到添加腹杆后结构的应力云图，如图14所示，并绘制有无腹杆的结构荷载-位移曲线对比，如图15所示。

图14 加腹杆结构屈服时应力云图 109 Pa

图15 有、无腹杆时结构荷载-位移曲线对比

观察图15可以发现：当有斜腹杆时，稳定性提高了，屈服荷载为50 855.9 kN，折合成线荷载为319.24 kN/m，相比于无斜腹杆，其强度提高了24.3%，但是提高不多。由图14可知，跨中 y 方向弦杆是最容易发生碰坏的位置，斜腹杆对此处的加强有限。同时，若跨中 y 向弦杆发生破坏，结构便转化为机构，并没有达到超静定结构的目的。分析根本原因是斜腹杆加强了 x 向平面内刚度，在这一方向上并没有荷载。而由于初始缺陷的存在，平面外刚度才起到控制作用。综上所述，加腹杆对于装配式钢支撑支护结构体系的稳定性提升有限。

本文结合天津某工程实例对装配式钢支撑支护体系进行分析，采用ABAQUS有限元分析软件建立考虑基坑分布开挖的模型，对装配式钢支撑支护体系可行性和稳定性进行分析，得到以下结论：

1)装配式钢支撑支护体系是一种绿色环保的新技术，相较于传统的混凝土支护结构，其材料可重复利用，具有非常明显的经济优势。

2)对于形状规则的基坑，装配式钢支撑支护体系可有效、灵活、主动地约束基坑周边土体的位移，保证基坑开挖过程中的安全性。

3)本文所建立的数值模型具有较好的准确性，可为类似的钢支撑内力计算分析提供依据。

4)增加腹杆对于装配式钢支撑支护体系来说可以提升其稳定性，但提升程度相对有限。

来源：陈昆, 詹旺宇, 刘红波. 装配式钢支撑基坑支护结构体系基坑开挖与稳定性模拟分析[J]. 钢结构, 2019, 34(12): 71-76.

doi: 10.13206/j.gjg201912014