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预应力装配式鱼腹梁内支撑体系概念

343 2021-09-28 09:46:38

如图 1. 3 所示,IPS 主要由预应力装配式鱼腹梁、对撑、角撑、连接件等部件组成,在施工现场 首先用螺栓连接全预制标准钢构件以形成主要部件,同时对不同部件的位置进行校正,然后利用连 接件将不同部件连接并拼装成型,最后给主要构件施加预应力形成封闭的内支撑体系。

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如图 1. 3 所示,IPS 用于基坑支护时,侧向土压力首先作用在围护结构上,然后传递给预应力装 配式鱼腹梁,预应力装配式鱼腹梁再通过连接件将其传递给对撑或角撑。

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在 IPS 的组成部件中,预应力装配式鱼腹梁(简称预应力鱼腹梁)是最主要受力部件,也是本 课题的主要研究对象。根据预应力钢结构中杆件类别的构成,将预应力钢结构分为三类,即刚性预 应力钢结构、刚柔性混合预应力钢结构、柔性预应力钢结构。如图 1. 4 所示,IPS 体系中的预应力 鱼腹梁是一种刚柔性混合预应力钢结构,预应力鱼腹梁主要由外部(紧靠基坑侧壁)的刚性围檩和内部(基坑内部)的柔性钢绞线通过 H 型钢支撑相连接而成,其中 H 型钢撑杆一端通过螺栓和围檩刚接,而另一端则与钢绞线以滑动或滚动的形式相连接。在预应力鱼腹梁使用过程中,通过端部千 斤顶张拉钢绞线给预应力鱼腹梁施加预应力,张拉过程中 H 型钢支撑下部和钢绞线既产生相对运动 又保持相互接触的状态。

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本文将预应力鱼腹梁钢绞线转折处的 H 型钢支撑端部钢绞线支座称之为鱼腹梁索撑节点。鱼腹 梁索撑节点主要有滑动式和滚轮式两种形式: 图 1. 5(a)所示,滑动式鱼腹梁索撑节点与钢绞线通 过滑动接触[12],钢绞线经过索撑节点时,必然存在摩擦力从而产生预应力损失[13] [14];, 图 1. 5(b) 所示为滚轮式鱼腹梁索撑节点,该节点利用转轴的滚动摩擦代替节点与索体间的滑动摩擦,从而大 幅减小索撑节点处的摩擦力,使得预应力张拉时的预应力损失大大减小。

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使用 IPS 作为基坑内支撑体系具有诸多优势:一方面,预应力技术的合理使用使得 IPS 具备主 动控制基坑变形的能力,随着基坑的开挖逐层布置预应力鱼腹梁,并随着侧向土压力和变形的增减 动态调整预应力鱼腹梁的钢绞线张力。首先,在设计标高完成预应力鱼腹梁的安装,此时基坑开挖 深度较浅、侧向水土压力较小,可以通过施加一定的预应力对围护结构预加反向荷载从而激发周围 土体的被动土压力,使得围护结构预先产生一定的反向水平位移。随着基坑的开挖和土体的卸载, 土压力逐渐增大,并逐渐由被动土压力转为主动土压力,鱼腹梁承受的荷载也逐渐变大,此时可根 据荷载的增大逐步增大钢绞线张力,将围护结构水平位移控制在合理的范围内;另一方面,预应力 的合理使用改变了结构的内力分布和变形特征,优化了结构性能,使得预应力装配式鱼腹梁钢支撑 体系能够跨越更大的跨度。文献[10]指出,传统钢支撑体系中相邻钢支撑的间距约为 2~4m,而 IPS 中 相邻钢对撑的间距可以达到 20~50m。图 1. 7 是传统钢支撑体系和 IPS 的实际使用情况比较,可以看 出传统钢支撑体系由于钢支撑密集所以基坑施工作业空间小,而 IPS 由于预应力装配式鱼腹梁的跨 度很大,因此钢支撑的数量大大减少,基坑施工作业的空间显著增大。通过比较分析[10]可知,IPS 可 以大大减小钢支撑的使用量,从而增大基坑工程的施工作业空间,因此使用该体系可以降低施工成 本并缩短施工工期,从而取得良好的经济效益。

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此外,IPS 还具备比较高的工程安全性。当 IPS 用作基坑内支撑时,一旦发生荷载突增导致围护 结构水平位移过大,还可以通过张拉备用鱼腹梁钢绞线控制变形以保证基坑安全。破坏模式上,相 对于传统基坑内支撑体系的破坏模式——脆性破坏,IPS 破坏模式为延性破坏,有效提高了基坑支护 系统的安全性。在环境效益方面,IPS 的合理使用可以大幅减小对周围土体的扰动,从而降低地下空 间建设对周边建(构)筑物、市政道路及管线等环境的影响。IPS 系统由全预制标准钢构件拼装而成, 因此可回收循环利用,符合绿色节能环保的发展理念。