CN107503358B - 模块化基坑钢桁架支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化基坑钢桁架支撑结构。模块化基坑钢桁架支撑结构是由单排或者多排的平面桁架结构构成，平面桁架结构包括基本结构单元和边缘构件，平面桁架结构主要是由基本结构单元拼接而成，位于平面桁架结构两端边缘的基本结构单元与边缘构件连接；平面桁架结构由多个基本结构单元沿一排拼接形成，相邻两个基本结构单元之间通过中间连接节点连接，拼接后两端的基本结构单元通过端部连接节点和边缘构件连接；基本结构单元由两根弦杆和一斜腹杆组成，两根弦杆平行布置，两根弦杆之间通过斜腹杆连接形成一体。本发明具有受弯承载能力大、抗弯刚度大的受力特点，同时具有基本结构规格统一、通用性强、重复利用率高、易于运输和现场安装等特点。

Description

模块化基坑钢桁架支撑结构

技术领域

本发明涉及建筑结构工程技术领域，尤其涉及了一种模块化基坑钢桁架支撑结构。

背景技术

在基坑开挖过程中，基坑内的支撑结构对保持基坑的稳定性具有重要的作用。传统的基坑支撑结构采用钢筋混凝土结构，这种结构具有施工速度慢、养护时间长及后期需要拆除不利节能环保等缺点。相比之下，近年来出现的钢支撑结构，普遍具有施工方便、速度快、可施加预应力、可重复利用等优点，符合国家节能环保的发展理念。

对于基坑支撑结构来说，首先应具有良好的结构性能，以保证基坑支护体系的稳定性，严格控制基坑围护墙的水平位移，保护周围已建建筑物的安全和场地、道路及地下管网线的稳定性；同时在可能的条件下减少平面面积，为拟建土方开挖、建筑物的基础和地下室的施工创造尽可能大的无障碍施工空间，便于进入基坑的建筑机械能够自如的进行施工作业。现有的基坑钢支撑结构还具有一定的问题，比如钢管支撑技术存在平面布置密集，节点性能差等问题，虽然型钢组合支撑结构的节点性能有所改善，但平面布置密集的问题并没有得到很好的解决。

尽管从使用全寿命周期来看，钢支撑具有可重复利用，且废旧构件的钢材可以回收，用于生产新构件，但是由于基坑形式的多样性，通常需要根据不同的情况定制不同的构件形式和规格，且钢材的价格相对较高，这使得基坑钢支撑结构的前期投入巨大，部分构件利用率低下，这严重影响其推广使用；对于基坑的平直边来说，基坑边缘的土压力向内形成一个近似均匀分布的压力作用，这就对基坑内的支撑结构的抗弯性能提出了很高的要求。因此，现有技术缺少一种通用性强、重复利用率高且能提供良好抗弯性能的基坑支撑结构。

发明内容

考虑基坑支撑结构的功能特点以及车辆运输尺寸的范围，结合钢桁架结构的受力特性，本发明提供了一种模块化基坑钢桁架支撑结构，利用规格统一、形式简单、符合车辆运输尺寸要求的基本结构单元，通过现场拼装组成空腹平面钢桁架结构，利用桁架结构优越的抗弯性能，来抵抗基坑边缘的侧向土压力的作用。同时，在施工过程中可以利用桁架两弦杆之间的空隙，进行基坑土方挖掘等作业。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

所述钢桁架支撑结构是由单排或者多排的平面桁架结构构成，平面桁架结构包括基本结构单元和边缘构件，平面桁架结构主要是由基本结构单元拼接而成，位于平面桁架结构两端边缘的基本结构单元与边缘构件连接，边缘构件与基坑的其它结构相连。

此处，基坑的其它结构是指位于所述钢桁架支撑结构两侧并与所述钢桁架支撑结构相连、为所述钢桁架支撑结构提供垂直于基坑边缘方向约束的结构，具体可以为与所述钢桁架支撑结构垂直的横跨基坑两相对边的对撑结构、垂直于所述钢桁架支撑结构的基坑相连边的钢桁架支撑结构以及位于基坑角部位置斜向布置的斜撑结构等。

所述的钢桁架支撑结构由多个基本结构单元沿一排拼接形成，相邻两个基本结构单元之间通过中间连接节点连接，拼接后桁架结构两端的基本结构单元通过端部连接节点和边缘构件连接。

所述的基本结构单元自身为桁架结构。

所述的边缘构件自身为两端带有端板，中间带有加劲肋的工字形截面构件。

所述钢桁架支撑结构中的所有部件均由钢材料制成。

所述的基本结构单元由两根弦杆和一斜腹杆组成，两根弦杆平行布置，两根弦杆之间通过斜腹杆连接形成一体，两根弦杆与斜腹杆直接采用焊缝连接。

所述的基本结构单元中，两根弦杆的两端均固定有端板，端板位于远离斜腹杆的一侧和弦杆的翼缘外侧平齐，以方便与围檩连接以及组成多排桁架结构时相连排之间的连接，端板在靠近斜腹杆的一侧延伸超出弦杆的翼缘，并且在延伸段和弦杆的翼缘之间连接有加劲肋。

多排平面桁架结构是由多个单排的平面桁架结构通过螺栓连接，具体相邻两排所述平面桁架结构之间的连接是在两者弦杆的翼缘之间通过螺栓相互连接。

所述弦杆的翼缘通过螺栓与基坑周边的围檩相连，并通过设置托架来承受其自重荷载。

两个相邻的基本结构单元之间通过中间连接节点将两者弦杆的端板相互连接，所述的中间连接节点为螺栓连接节点，两个基本结构单元的端板的之间通过螺栓连接。

所述的基本结构单元和边缘构件之间通过端部连接节点将弦杆的端板和边缘构件的翼缘相互连接，所述的端部连接节点为螺栓连接节点，基本结构单元的端板和边缘构件之间通过螺栓连接。

所述钢桁架支撑结构在基坑中能够作支撑结构，在基坑边缘土压力作用下，主要承受弯矩的作用。

本发明相邻基本结构单元之间的中间连接节点按照其承载能力与弦杆轴向承载能力等强的方法确定，在弦杆的端板与弦杆焊接处通过焊接加劲肋方法来保证端板的局部稳定性。

单排平面桁架结构之间通过螺栓将相邻排桁架结构的弦杆外侧翼缘板相连，组成多排平面桁架结构。在多排桁架进行组合时，不同排桁架之间的长度可以相同，也可以仅在弯矩较大区域采用多排桁架。

本发明中的不同排桁架结构之间的螺栓连接主要传递剪力，连接的设计按照抗剪承载力进行验算。

本发明的边缘构件可以与基坑其它构件相连。

本发明的基本结构单元的几何尺寸，在满足基坑土方开挖施工需要和桁架受弯承载力的条件下，应满足车辆的运输宽度限值。

本发明的钢桁架支撑结构具有优良的抗弯性能，内部构件稀疏，结构形式简单，布置在基坑内作为支撑结构，能够起到抵抗基坑边缘的侧向土压力作用。

本发明主要通过若干完全相同的基本结构单元组装，并在两侧边缘位置分别与边缘构件相连组成钢桁架结构，实现了模块化，具有通用性强、重复利用率高等优点。并且利用桁架结构良好的受弯承载能力、抗弯刚度来抵抗基坑边缘土侧压力的作用。

当采用钢支撑作为基坑的支撑结构时，对于位于横跨基坑对边的两横撑结构之间、位于横撑和角撑之间、位于两角撑之间以及位于横撑或角撑与垂直方向的基坑边缘之间的平直段来说，现有的结构常直接采用围檩、采用预应力拱形结构以及预应力鱼腹式结构来承受基坑边缘的土压力的作用(垂直于基坑边缘)。在土压力的作用下，这一位置的支撑结构主要承受弯矩的作用。由于围檩本身的抗弯性能较差，因此当直接采用围檩时平直边的跨度必须足够小。而预应力拱形结构由于结构形式较为复杂，其形式与具体参数(如跨度、矢高等)相关性大，并且与拱脚处的连接结构密切相关，因此通用性不强，需要针对不同的情况设计和制作对应的结构。预应力鱼腹式结构通过张拉上弦钢索，通过钢索对鱼腹内立柱的推力来抵抗基坑边缘土压力的作用，尽管由于采用高强钢索理论上可以获得较高的抗弯承载能力，但是由于鱼腹式结构的变形与钢索轴线刚度关联性大，而一般情况下预应力钢索截面的较小，因此整个结构的抗弯刚度较小，所以其适用的跨度较为有限，并且钢索张拉要求较高，施工较为复杂。钢桁架是一种优秀的受弯结构，利用弦杆的轴向荷载组成的力偶抵抗弯矩，同时利用斜腹杆的轴向受力抵抗剪力，具有抗弯刚度大、受弯承载能力高等特点，被广泛应用于各类受弯结构中。但是，为了获得优良的抗弯性能，桁架结构通常截面尺寸较大，这给需要重复利用的基坑钢支撑结构的运输和安装带来了很大的麻烦。本发明的结构采用模块化的方式，考虑运输车辆的宽度限制，利用完全相同的基本结构单元和少量边缘构件，通过现场的螺栓连接拼装，组成桁架结构。这样既解决了运输和安装问题，又可以利用桁架结构的优良的受弯性能，同时可以根据实际的跨度和土压力的大小调整桁架的排数和布置，具有通用性强、重复利用率高等特点，可以大大减少基坑钢支撑结构的前期资金投入。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)采用基本结构单元进行拼接组装，组成受弯承载能力大、抗弯刚度大的桁架结构，可以有效抵抗基坑边缘土压力的作用。

2)基本结构单元形式简单，规格统一，可以避免构件形式和规格的多样性，通用性强、重复利用率高，可大大减少钢支撑结构的大量前期投入，有效降低成本；

3)组成形成的桁架结构内部的无障碍空间大，有利于基坑土方的开挖施工及其它施工操作；

4)基本结构单元的尺寸满足运输车辆运输宽度，可以有效提高运输效率，降低物流成本；

5)可以形成单排或者多排桁架结构，满足不同的基坑承载要求和跨度要求，可根据基坑土压力的大小和桁架的跨度灵活组装形成单排或者多排桁架结构，适用性强。

综合来说，本发明具有受弯承载能力大、抗弯刚度大的受力特点，同时具有基本结构规格统一、形式简单、易于运输和现场安装等特点。

附图说明

图1为本发明的模块化基坑钢桁架支撑结构(单排)的平面示意图。

图2为本发明的模块化基坑钢桁架支撑结构(两排)的平面示意图。

图3为基本结构单元的平面图。

图4为基本结构单元的俯视图。

图5为基本结构单元的侧视图。

图6为边缘构件的平面图。

图7为边缘构件的侧视图。

图8为本发明的模块化基坑钢桁架支撑结构的拼装示意图。

图9为本发明结构搭建到基坑中的安装示意图。

图中：基本结构单元1、边缘构件2、中间连接节点3、端部连接节点4、螺栓5、弦杆6、端板61、加劲肋62、斜腹杆7。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括单排或者多排的平面桁架结构，平面桁架结构包括基本结构单元1和边缘构件2，平面桁架结构主要是由基本结构单元1拼接而成，位于平面桁架结构两端边缘的基本结构单元与边缘构件2连接，边缘构件2与基坑支撑结构相连。

平面桁架结构由多个基本结构单元1沿一排拼接形成，相邻两个基本结构单元1之间通过中间连接节点3连接，拼接后两端的基本结构单元1通过端部连接节点4和边缘构件2连接。

如图3-5所示，基本结构单元1由两根弦杆6和一斜腹杆7组成，两根弦杆6平行布置，两根弦杆6之间通过斜腹杆7连接形成一体，斜腹杆7两端通过焊接连接到弦杆6的翼缘上。

基本结构单元1中，两根弦杆6的两端均固定有端板61，端板61上位于远离斜腹杆7的一侧和弦杆6的翼缘平齐，以方便与围檩连接和多排桁架结构的连接，端板61上位于靠近斜腹杆7的一侧延伸超出弦杆6的翼缘，并且在延伸段和弦杆6的翼缘之间连接有加劲肋62，这样在土压力作用下，弦杆内侧受拉时可以传递弯矩，基本达到刚性连接的效果。

如图6和图7所示，具体实施中，弦杆6两端的端板61上开设螺栓孔，每一弦杆6的外侧翼缘上也开设螺栓孔，边缘构件2的翼缘上均开设螺栓孔。

如图2所示，多排平面桁架结构是由多个单排的平面桁架结构通过螺栓连接，具体相邻两排所述平面桁架结构之间的连接是在两者弦杆6的翼缘之间通过螺栓5相互连接，最后搭建如图8所示。

两个相邻的基本结构单元1之间通过中间连接节点3将两者弦杆的端板61相互连接，两个基本结构单元1的端板61的之间通过螺栓连接，使得多个基本结构单元1中两根弦杆均各自同直线布置连接。具体实施中，两块相连接的端板61在弦杆上下翼缘范围的中间段之间用螺栓连接，并且在两块相连接的端板61延伸出弦杆外的延伸段之间也用螺栓连接，使得中间连接节点3形成单边外伸端板节点。

基本结构单元1和边缘构件2之间通过端部连接节点4将弦杆的端板61和边缘构件2相互连接，端部连接节点4为螺栓连接节点，基本结构单元1的端板61和边缘构件2之间通过螺栓连接。具体实施中，端板61位于弦杆上下翼缘范围的中间段和边缘构件2翼缘之间用螺栓连接，并且端板61延伸出弦杆外的延伸段和边缘构件2翼缘之间也用螺栓连接，使得中间连接节点3形成非对称螺栓连接节点。

由此可见，本发明利用桁架结构良好的受弯承载能力、抗弯刚度来抵抗基坑边缘土侧压力的作用。

将本发明结构搭建连接到基坑后，弦杆6的翼缘通过螺栓与基坑周边的围檩相连，并利用托架来承受支撑结构的自重。

其中作为基本模块的基本结构单元形式统一，可节省大量的前期投入；基本单元为平面结构，且尺寸满足汽车运输宽度的要求，有利于节约物流成本；形成的桁架结构内部的无障碍空间大，便于基坑土方挖掘等施工作业；可根据基坑土压力的大小和桁架的跨度灵活组装形成单排或者多排桁架结构，适用性强。

本发明的实例

取基本单元弦杆和腹杆的截面为H400x400x13x21，钢材为Q345(设计强度295MPa)，基本单元弦杆的总长为2400mm，两弦杆的中线之间的距离为3000mm，即基本单元结构的外框尺寸为宽2400mm，高3400mm，基坑边缘的土压力为150kN/m，基坑钢桁架支撑按照简支梁计算。

表1计算结果

由计算结果可见，本发明受弯承载能力大、抗弯刚度大，有效抵抗基坑边缘土压力的作用，满足不同的基坑承载要求和跨度要求，可根据基坑土压力的大小和桁架的跨度灵活组装形成单排或者多排桁架结构，具有突出显著的技术效果。

Claims (6)

1.一种模块化基坑钢桁架支撑结构，其特征在于：所述钢桁架支撑结构是由单排或者多排的平面桁架结构构成，平面桁架结构包括基本结构单元(1)和边缘构件(2)，平面桁架结构主要是由基本结构单元(1)拼接而成，位于平面桁架结构两端边缘的基本结构单元与边缘构件(2)连接；

所述的基本结构单元(1)由两根弦杆(6)和一斜腹杆(7)组成，两根弦杆(6)平行布置，两根弦杆(6)之间通过斜腹杆(7)连接形成一体；

所述的基本结构单元(1)中，两根弦杆(6)的两端均固定有端板(61)，端板(61)上位于远离斜腹杆(7)的一侧和弦杆(6)的翼缘平齐，端板(61)上位于靠近斜腹杆(7)的一侧延伸出弦杆(6)的翼缘，并且在延伸段和弦杆(6)的翼缘之间连接有加劲肋(62)；

所述弦杆(6)的翼缘通过螺栓与基坑周边的围檩相连，并通过设置托架来承受自重荷载。

2.根据权利要求1所述的一种模块化基坑钢桁架支撑结构，其特征在于：所述的平面桁架结构由多个基本结构单元(1)沿一排拼接形成，相邻两个基本结构单元(1)之间通过中间连接节点(3)连接，拼接后平面桁架结构两端的基本结构单元(1)通过端部连接节点(4)和边缘构件(2)连接。

3.根据权利要求1所述的一种模块化基坑钢桁架支撑结构，其特征在于：

相邻两排所述平面桁架结构之间的连接是在两者的弦杆(6)翼缘之间通过螺栓(5)相互连接。

4.根据权利要求1所述的一种模块化基坑钢桁架支撑结构，其特征在于：

两个相邻的基本结构单元(1)之间通过中间连接节点(3)将两者弦杆的端板(61)相互连接，所述的中间连接节点(3)为螺栓连接节点，两个基本结构单元(1)的端板(61)之间通过螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的一种模块化基坑钢桁架支撑结构，其特征在于：

所述的基本结构单元(1)和边缘构件(2)之间通过端部连接节点(4)将弦杆的端板(61)和边缘构件(2)相互连接，所述的端部连接节点(4)为螺栓连接节点，基本结构单元(1)的端板(61)和边缘构件(2)之间通过螺栓连接。

6.权利要求1-5任一所述的一种模块化基坑钢桁架支撑结构的应用，其特征在于：所述钢桁架支撑结构在基坑中作支撑结构。