钢框架——支撑结构在多高层钢结构建筑中是一种非常常用的结构形式,钢框架支撑结构是在钢框架结构的基础上,
通过在部分框架柱之间布置支撑来提高结构承载力及侧向刚度。支撑体系与框架体系共同作用形成双重抗侧力结构体系,这不但为结构在正常受力情况下提供了一定的刚度,而且为结构在水平地震作用及较大风荷载作用下,提供了两道受力防线,形成了人们较理想的破坏机制。然而,不同的支撑布置方式会产生不同的效果,这包括支撑的类型,支撑布置的位置以及支撑杆件所选择的截面形式。
1支撑的类型:
(1)中心支撑:支撑构件的两端均位于梁柱节点处,或一端位于梁柱节点处,一端与其他支撑杆件相交,中心支撑的特点是支撑杆件的轴线与梁柱节点的轴线相汇交于一点,支撑体系刚度较大。中心支撑包括:单斜杆支撑,交叉支撑,人字形支撑,V字形支撑,K字形支撑,跨层交叉支撑,带拉链杆支撑。
中心支撑适用于抗震设防等级较低的地区,以及主要有风荷载控制侧移的多高层建筑物。
(2)偏心支撑:
支撑杆件的轴线与梁柱的轴线不是相交于一点,而是偏离了一段距离,形成一个先于支撑构件屈服的“耗能梁段”。偏心支撑包括人字形偏心支撑,V字形偏心支撑,八字形偏心支撑,单斜杆偏心支撑等。
偏心支撑适用于抗震设防等级较高的地区或安全等级要求较高的建筑,而且相对中心支撑而言可以很容易解决门窗布置受限的难题。
(3)消能支撑:将支撑杆件设计成消能杆件,以吸收和耗散地震能量减小地震反应。
在传统施工工艺中,立墙模板支撑采用木制的副龙骨结合钢管的施工方法,其中立墙的主龙骨有两根钢管和扣件组成。在施工中,往往需要将钢管一根一根的用铁丝固定后才可以锁定,施工不方便费时费力。其次由于钢管长度与需求长度不符,因而随意切割、搭接的现象严重,造成资源浪费和管理困难,经常出现由于搭接不当造成施工质量问题。后,由于钢管为圆型,与结合点受力面积小,两种材质强度及变形量差距很大,所以常在接触点产生木方因受压变形的情况,从而造成施工质量不过硬问题。
成套钢支撑模板加固体系从根本上改变了传统的模板施工工艺。主龙骨由两根截面尺寸相同的C型钢焊接而成,施工时待穿墙螺栓安装好以后,只需要一人水平拿起主龙骨将其穿放在螺栓上锁好即可,即省时又省力,而由于与其配套使用的副龙骨均为钢制方形结构,结合面受力均匀,施工效果好。
在传统施工工艺中,建筑用模板支撑体系中的副龙骨为木方结构。首先,由于自身为固定尺寸的产品,建筑物的标高多种多样,所以在施工过程中需要截断,这个截断的过程势必会引起浪费,而且木方只能越切越短,不能加长,如果在碰到净空标高大的建筑,只能采取相互搭接的方式,或者购买新的木方。普遍使用搭接形式,不仅造成更大浪费,因而还会产生系列施工质量问题(胀模起鼓等)。其次,由于传统支撑是木方和钢管结合的形式材质强度大小不一,会因为木方变形而产生跑模的问题。再次,由于混凝土浇筑是一个潮湿作业的过程,所以木方会受潮而变形,随着使用次数的增多变形度就多大,导致在施工过程中随着楼层的增高,施工质量越来越差的问题。而后木材也会因为不断腐朽,由直变弯,由长变短,由短变无。此外,木制品大规模使用会有很大的火灾隐患。
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。
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。
由于施工场地比较狭小,为减少基坑无支撑暴露时间,缩短每循环支撑施工时间,钢支撑架设时:应先在基坑外进行钢支撑预拼,与基坑宽度核对无误后,再将预拼的钢支撑拆卸分节吊入基坑内,在基坑内拼装完成后,进行架设。
支撑钢管连接:支撑钢管间采用高强螺栓连接,在用螺栓连接时,要求对称用力,防止出现钢管支撑偏心受力。
支撑拼装长度:支撑拼装长度根据基坑宽度、支撑活动端行程等参数综合考虑,一般支撑拼装长度比实际所需长度要短15~20cm左右。
2)测量放线、支撑定位
挖土至钢支撑底面以下30cm时,立即组织专职人员按设计图纸进行测量放线和支撑定位工作,要求支撑定位允许偏差为:2cm(水平位置偏差),1.5cm(高度偏差)。将钢支撑的安装高度、水平位置分别认真用红漆标出。
3)凿出支撑牛腿位置的地墙钢筋,焊设支撑牛腿
钢支撑标高、平面位置核对无误后,为便于支撑就位及固定,应在基坑两侧地墙墙面上设置搁置装置。搁置装置采用2cm厚三角钢板焊接在地墙主筋上,每根钢支撑两端各设置两个支撑牛腿,三角钢板与地墙主筋有效焊缝长度不小于25cm。
4)钢支撑架设后防坠落二次保护及加固
为了避免钢支撑在架设完毕后因各种原因发生坠落,应在钢支撑两端添加防 坠落二次保护及加固,使用20cm长膨胀螺栓配合1cm厚钢板制作吊耳打入地墙中进行固定,悬挂点设置在钢支撑正上方1m处。之后使用φ14mm钢丝绳将钢支撑两端箍紧与角钢吊耳相连。