围护体系中钢结构支撑节点的受力分析.pdf

第 3 3卷 第 7期 Vo 1 _ 3 3 No ．7 建筑施1 - B U I L D I N G C 0 N S T R U C T I O N 围 护体 系 中钢 结 构 支撑 节 点 的受 力分 析 Fo r c e An a l y s i s o f J o i n t s i n S t e e l Exc a v a t i o n S up po r t S y s t e m 一一 一 口 邓治纲 上海市基础工程有限公司 2 0 0 0 0 2 ， 同济大学地下建筑与工程系 上海 2 0 0 0 9 2 【 摘 要】 通过对基坑工程中常用的围护结构、钢管和型钢支撑等不同节点形式的分析，结合不同形式的节点受力变形数值 进行计算模拟，并对节点薄弱部位进行了加强后的强度验算，证明了钢支撑与围护之间的节点加强的必要性。同时，这些受力 分析也使钢支撑节点设计有了定量依据。 【 关键词】基坑围护 钢结构支撑 节点 受力分析 强度验算 【 中图分类号】 T U 7 5 3 ／ 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 2 0 1 1 0 7 0 5 5 4 0 3 近几年来， 在支护结构中， 钢结构支撑体系被广泛采用。 对于支撑系统来说， 其组成构件一方面需要保证符合设计要 求， 另一方面 ， 各构件之间的节点连接情况也是保证整个系 统支撑性能的重要环节。对于钢结构支撑体系， 其支撑构件 与连接节点多采用拼装式， 而节点连接的设计与验算， 对整 个系统起着重要的影响作用。目前， 对于钢支撑节点设计的 研究相对较少， 因此有必要对其进行研究分析 ， 以满足实际 设计与施工的需要。 1 支撑结构概述 深基坑的支护体系由两部分组成 一是围护结构 ， 二是 基坑内的支撑系统。深基坑各类支撑系统既要轻巧， 又需要 足够的强度、 刚度和稳定性， 这样才能保证施工的安全性、 经 济性和方便性 ， 因此 ， 支撑结构的设计是目前施工方案技术 设计的一项重要内容。 在深基坑的施工支护结构中， 常用的支撑系统按其材料 可以分为 钢管支撑、 型钢支撑、 钢筋混凝土支撑、 钢和钢筋 混凝土的组合支撑等。 这些支撑系统在实践中都有各自的特 点和不足之处 钢支撑材料的消耗量小， 可以施加预应力以 合理地控制基坑变形。 钢支撑的架设、 拆除速度较快， 有利于 缩短工期， 但是钢支撑系统的整体刚度较弱， 由于要在两个 方向上施加预紧力， 所以纵、 横杆之间的连接始终处于铰接 状态 ， 形不成整体的刚接； 钢筋混凝土支撑结构整体刚度好、 变形小、 安全可靠， 但其施工制做时间长于钢支撑， 且拆除工 作比较繁重， 材料的回收利用率低。钢筋混凝土支撑因其现 场浇筑的便利性和高可靠度，而在国内较广泛地被采用， 但 【 作者简介】 邓治纲 1 9 7 9 - ， 男， 博士研究生， 工程师。联系地 址 上海市江西 中路 4 0 6号 2 0 0 0 0 2 o 【 收稿日期 】 2 0 1 1 - 0 6 0 8 5 5 4 就支撑结构的发展方向而言 ， 更应推广施工钢支撑 ， 同时提 高支撑结构的施工水平。 支撑结构体系由围檩、 支撑杆或支撑桁架、 立柱、 立柱桩 等杆件组成。支撑结构的围檩直接与围檩护壁连接， 围檩护 壁上的力， 通过围檩传递给支撑结构体系， 因此围檩的刚度 对整个支撑结构的刚度影响很大， 所以一般情况下， 在设计 中须注意围檩杆件的加强。 支撑杆是支撑结构中的主要受压 杆件 ， 支撑杆相对于受荷面来说 ， 有垂直于荷载面和倾斜于 荷载面两种。斜支撑杆应注意其和围檩连接节点的力的平 衡。 支撑杆由于受自重和施工荷载的作用， 是一种压弯杆件， 需在各受压支撑杆件中增设三向束点构造以减短压弯支撑 杆件的计算长度， 或将支撑杆设计成为支撑桁架， 这将加强 支撑杆件的刚度和稳定性。 支撑结构各杆件之间的连接， 应按照传力明确、 刚度足 够、 方便装拆的原则进行设计。 2 钢支撑及节点连接主要形式 目前常用的钢支撑结构是钢管支撑结构和型钢支撑结 构。这两类支撑以其重量轻、 刚度大、 装拆工作量小、 可重复 使用、 材料消耗少的特点， 而在国外被广泛采用。 但是我国建 筑业的支撑杆件、 附件配备还不够充足 ， 支撑节点间千斤顶 和压力计等预加轴力装置及配件还不够齐全， 所以在基坑开 挖工程中， 除在地铁车站长条形基坑中被广泛采用外 ， 在高 层建筑地下大面积深基坑中较少使用。 但对于已开始使用钢 支撑的高层建筑深大基坑项目， 我们已从中取得有效控制变 形的技术经验。 钢支撑 常用的材料 有钢 管和型钢两种 。钢 管 多用 西6 0 9 m m钢管， 有多种壁厚 1 0 m m 、 l 2 m m 、 l 4 m m 、 l 6 m m 可供选择。 型钢支撑多用 H型钢， 组合型钢也可作为钢支撑。 7 ， 2 0 1 1 邓治纲 围护体系中钢结构支撑节点的受力分析 第 7期 其平面布置常用的有 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。 钢结构的连接方法可分为焊缝连接、 螺栓连接和铆钉连 接等。目前焊缝连接已取代铆钉连接， 成为钢结构的主要连 接方法， 同时高强度螺栓在一些较大的安装连接中也得到了 较多的使用。 3 钢支撑常见节点形式与变形受力分析 钢支撑在使用过程中， 对于不同的围护和基坑形式所采 用的节点形式是不同的。 以下对工程中常使用的一些接头形 式进行介绍， 对其强度验算和受力变形机理做一定研究。 3 ． 1 常用钢支撑截面参数 计算中采用的钢管为 6 0 9 m m 、 t 1 6 m m的 Q 2 3 5圆形 钢管， H 型钢采用 4 0 0 m mx 4 0 0 m mx 2 0 m m规格， 节点接头 连接采用角焊缝。其截面形状与尺寸如图 1 所示。 宴童 厂 ‘ 、 ， ． 1 6 图 1 钢管与 H型钢截 面尺寸 ／ mm 由钢结构设计规范 ， 通过计算可以得到 Q 2 3 5圆形钢管 极限承载力和计算长度变化曲线， 如图 2 所示。 一 -_ 、 、 、 、～ 、 、 、 、、 l l 2 4 6 8 l I l l 2 1 4 1 6 1 8 J 2 2 2 4 支撑 间距 I ／ m 图 2 圆形钢管极 限承 载力和计 算长度关 系曲线 图 3为 4 0 0 m mx4 0 0 m mx 2 0 m m H 型钢极 限承载 力 和计算长度关系曲线。 5 ． 4 ， 耋 ● 支撑 间距 m 图3 H型钢极限承栽力和计算长度关系曲线 通过对图 2 、 图 3的比较可以得出， 钢支撑杆件极限承 载力， 是随着长度的增加而减小的。 图 4为钢支撑与地墙连接节点。 我们在地墙与活络头连 接处预埋钢板 ，并将活络头或钢管直接焊接在预埋钢板上， 在接头处我们主要对焊缝进行验算。 I 妇 嗽 图 4 钢管撑同地下连续墙搭接节点 图 5为钢管斜支撑同地下连续墙节点。 钢管撑通过 H 型 钢焊接在地墙预埋钢板上。 三 二L 图 5 钢管斜支撑 同地下连续墙节点 图 6 法兰连接 点 3 ． 2 钢管撑节点受力变形分析 钢管支撑之间的连接形式如图 6所示， 两钢管通过螺栓 和中间法兰进行连接， 螺栓其固定作用， 杆件轴向受压。 图 7为施加预应力钢管支撑接头， 主要通过中间活络头 中千斤顶对支撑施加预应力。图中围护结构采用围护桩， 支 撑处加设钢围檩， 围檩由两根平行 H 型钢焊接而成 ， 围檩放 置在在钢牛腿上， 钢支撑的另一端则直接支撑在钢围檩上。 图7 钢管撑同S MW 围护搭接节点 根据上述两种连接方式， 本文运用a n s y s 有限元计算软 件， 对实际接头进行简化模拟计算。假设钢管支撑轴向压力 为 2 0 0 0 k N ， 计算模型如图 8所示。 计算中对有活络头的一端， 荷载采用面荷载， 而没有活 5 5 5 7 6 6 5 S 4 4 3 3 2 2 荟 辱靠 第 7期 邓治纲 围护体系中钢结构支撑节点的受力分析 7 ／ 2 0 1 1 络头的一端荷载平均加载到圆环形的所有节点上。 计算结果 如图 9 、 图 1 O所示。 有活络头一端， 最大变形值为 4 ． 4 3 5 m m ， 出现在围檩受压区边缘处。 计算结果中最大应力出现在围檩受压区腹板处， 大小为 6 2 4 N ／ m m ， 远远超出钢板的设计强度。该处很有可能会发生 塑性变形， 导致支撑体系的失效 ， 因此实际使用中应引起足 够重视， 对应力集中部位要进行有效的加强措施， 在受压区 应加设加劲肋， 即在平行型钢腹板处加设一定量钢板。 围檩采用加劲肋后模型如图 l 1 所示，其变形和应力分 布如 图 1 2 、 图 1 3 所示 。 _ 。 l 图 9 围檩受压 变形示意 图 1 2 一t- ， ￡ |～ ⋯ 图 1 O 钢围檩受压应力分布 图 1 3 形均布荷载代替钢管轴向压力。计算过程中， 取轴向压力大 小为 2 0 0 0 k N ，加载后支座变形和屈服应力如图 1 5 、 1 6所 示 节点的最大变形值为 1 m m ， 出现在与钢管支撑接触面中 心两侧。 图 1 5 钢 管斜撑 支座 节点变形 图 1 6 钢 管斜撑 支座 节点应 力 计算结果中， 最大应力出现在与钢管撑接触面的上方和 周围， 其大小为 3 6 2 N ／ m m z 。 由于在钢板与预埋钢板焊接处同 样存在着较大的应力， 所以在实际使用中， 也应引起足够的 重视 ， 对应力集中部位应进行有效的加强措施。而支座的其 余部分则变形较小， 其应力值与最大应力相差了一个数量级 左右。 钢围 檩设置 加劲 肋后受 压应力分 布 4 结语 通过计算可知， 最大变形值为 1 ． 6 1 m m， 最大应力值为 6 0 ． 4 N ／ m m z 。 比较后可以发现， 通过加劲肋后钢围檩受压处最 大应力明显减少， 可以证明钢围檩设置加劲肋能有效提高围 檩的整体翔 0 度， 确保施工的安全可靠。 3 ．3 斜撑支座强度变形验算 钢管斜撑支座节点 图 1 4为钢支撑斜撑支座。 图中角根据斜撑角度确定， 采 用厚的 2 0 m m钢板制作 ，板与板之间满焊 ，焊缝高度为 1 O m m 。 对于该斜撑支座 ， 我们通过 a n s y s有限元数值计算软 件进行了模拟计算， 焊缝处固接 ， 与钢管支撑接触面采用环 5 5 6 基坑设计与施工过程中 尤其是深大基坑 ， 必须对支撑 系统的各节点 特别是多支撑交汇的关键节点构造细节 作 深入分析和谨慎处理， 以避免“ 一点失稳 ， 全盘皆垮” 的灾害 性事故。通过对基坑工程中常用的围护结构、 钢管和型钢支 撑不同节点形式的分析， 结合不同形式的节点受力变形数值 计算模拟，以及对节点薄弱部位进行加强后的强度验算 ， 证 明了钢支撑同围护之间的节点加强的必要性 ， 使钢支撑节点 设计有了定量的依据。我们针对影响节点的受力变形因素， 总结出 了以下技术要点 1 支撑杆件轴线及其交汇点， 因杆件加工及安装产 生的偏心， 设计中要验算允许偏心下弓 l 起的弯矩， 施工中也 应严格控制支撑轴线及交汇点的偏心 f 2 减少施工机具对支撑杆件或节点可能发生的垂直 及水平向的碰撞； 3 减少了由于基坑四周超载或基坑开挖不均匀 ， 以 及地基回弹时引起支撑体系各点的垂直或平面上所产生的 差异位移。 一 圄