虽然我国对基坑钢结构支护的研究和应用起步较早，但受政策导向、材料及人力资源成本等因素影响，钢结构支护尚未得到广泛的推广和应用。在日本，基坑钢结构支护已发展成为基坑支护的主要形式。
通过对我国与日本钢结构支撑体系设计方法进行比较,明确了两国设计方法的相同点与不同点,为我国钢结构支撑体系的进一步研究与推广应用提供参考。
1、基坑钢支撑结构体系介绍
基坑支护体系包括钢筋混凝土支护体系和钢结构支护体系两种类型。传统的钢筋混凝土支护体系生产维护时间较长，生产后不能立即发挥支护作用；拆除混凝土支护工作量大、粉尘污染严重、震动噪音大、材料不能重复利用，不符合当前绿色施工的要求。地下钢支护体系可以很好地克服钢筋混凝土支护体系的上述缺点。不仅如此，钢结构支护体系可通过液压千斤顶施加预压，实时监测和调整支护力，严格控制基坑位移，满足地铁、重要管线等围绕基坑对基坑开挖环境影响的严格要求。
钢支撑体系由水平钢支撑、钢柱、钢腰梁组成。与钢筋混凝土支撑体系相比，基坑钢支撑体系具有以下优点：
①重量轻，安装、拆卸方便；
②施工速度快、可重复使用；
③安装后就能立即起到支撑作用，非常有效的减少因时间效应引起的支撑结构位移；
④通过千斤顶施加预压力，并可实时监测、调整支撑力。
常见的基坑钢支撑系统有型钢支撑、钢管支撑。
钢支撑
钢管支架
2、国内基坑钢支撑体系应用现状
2011年1月，我国发布了图集《建筑基坑支护结构施工》11SG814，给出了钢支撑体系常用的技术参数和节点结构；行业标准《建筑基坑支护技术规范》JGJ120-2012于1999年9月发布，2012年修订，给出了钢支撑体系的设计计算方法。
国内成功应用基坑钢结构支护体系的典型案例是1998年获北京市科技进步三等奖的北京国贸二期工程。该工程基坑东西长约256m，南北宽约51m，开挖深度18.6m，水平支撑三层。钢支撑布置方式为：每隔8m左右布置一个水平支撑，在转角处设置一个斜支撑，沿基坑宽度方向设置三排柱子，在支撑与柱子相交处设置拉杆。
北京国贸中心二期钢支撑布置图
钢筋混凝土支撑以其刚度大、成本低、施工方法相对简单等特点占据了我国基坑支撑的主要市场。钢支撑只有在对基坑位移要求严格的基坑中才得到广泛的应用，而且往往第一支撑为钢筋混凝土支撑，第二支撑为钢支撑。
钢支撑与钢筋混凝土支撑组合
国内钢支撑常用材质有两种：钢管和型钢。钢管多为609钢管，型钢多为H型钢。组合型钢也可用作钢支撑。钢管支撑为中心对称截面，受压时其平面内外稳定性一致，故应用最为广泛。由于钢支撑刚度约为钢筋混凝土支撑的1/5～1/10，一般公认钢支撑的适用范围为跨度为40m的规则基坑。钢支撑体系常用的平面布置形式有斜撑、角撑、边桁、边架、圆拱支撑等。
一般来说，平面形状接近正方形，且体积较小的基坑，宜采用角撑；形状接近正方形，但体积较大的基坑，宜采用圆形或边桁架支撑；矩形基坑，宜采用双支撑或双支撑加角撑。
钢支撑的典型布置
钢管支架的连接形式有焊接和螺栓连接两种，螺栓连接现场装配方便，且不存在焊接残余应力问题，因此在实际应用中较为常见。
钢管支撑螺栓连接
为了克服钢支撑刚度小的缺点，可将钢支撑与液压千斤顶配合使用，对钢支撑施加可调的轴压力，以提高支撑刚度。在对钢支撑施加预应力的基础上，我国于2000年左右开始发展基坑位移监测技术，将两种技术结合起来，形成钢支撑轴力自动伺服系统，实现对液压千斤顶对钢支撑施加轴力的实时监测和调节。
除传统的钢支撑体系外，近年来从韩国引进了一种新型的钢支撑体系：鱼腹梁钢支撑体系。该体系通过在鱼腹梁弦杆上对钢绞线施加预应力，形成大跨度腰梁结构，与角撑、对撑、三角连接点相结合，形成平面预应力支撑体系。由鱼腹梁、钢绞线、三角连接点、预应力张紧装置、角撑、对撑、柱子和牛腿组成。该体系最大的优点是支撑占用空间小，可以为基坑开挖提供开阔的空间。
鱼腹钢支撑系统
综上所述，我国地下钢支撑体系的研究与应用起步较早，有支撑设计规范及图集，并有支撑轴力自动伺服系统的开发与应用钢结构建筑构造图集，鱼腹梁钢支撑体系的推出。但由于钢筋混凝土支撑刚度大，施工简单，钢材历史价格较高，钢筋混凝土支撑仍是主要的支撑形式。钢支撑体系仅在对基坑位移要求严格的基坑，如地铁、隧道、重要管线等工程中得到广泛应用。
3.中日基坑钢支撑体系设计方法对比
1 日本基坑钢支架类型
根据日本《环境基本法》和《资源有效利用促进法》，日本对建筑垃圾的主导政策是尽可能避免将建筑垃圾从施工现场排放。由于钢筋混凝土支撑最终需要凿出并运走，形成建筑垃圾，钢支撑是绿色环保、可重复使用、不产生建筑垃圾的预制结构体系。因此钢结构建筑构造图集，基坑钢支撑体系在日本应用广泛，是基坑支撑的主要结构形式。
日本的基坑钢支撑体系有以下几种类型：水平支撑体系、锚固体系、斜支撑体系、拉杆体系，其基本结构形式如图所示。
日本钢支撑体系基本结构形式
其中，水平支撑体系由钢腰梁、双向水平支撑梁、端部斜撑、角撑及立柱组成。
水平支撑系统结构
2 中日水平钢支撑体系设计方法对比
2.1 设计基础对比
日本水平钢支撑设计依据为《道路工程结构岩土工程导则》；我国基坑钢支撑设计依据为《基坑支护技术规范》JGJ120-2012和《钢结构设计规范》GB50017-2003。
2.2 腰梁设计方法比较
日本将钢腰梁计算模型简化为两端设简支的压弯构件，以45°端支撑为例，其计算跨度为l1+l2（见图），含轴压的跨度如下图所示；中国将钢腰梁计算模型简化为连续梁，构件也按压弯构件计算，但计算跨度为相邻支撑点间的中心距。
腰梁计算跨度
腰梁轴压纳入范围
2.3 水平支撑设计方法对比
日本将水平支撑计算模型简化为以支座为支撑的简支梁，按压弯构件计算，弯矩为支座在自重和垂直施工荷载作用下产生的，轴力为基坑侧壁传递的压力，水平支撑纳入侧压力范围。
水平支撑包含在侧压范围内
我国也按压弯构件设计水平支撑，但模型简化规则为：当有柱时，宜按空间框架计算；当竖向荷载较小时，可按连续梁计算，计算跨度可取相邻柱间的中心距。
日本强轴周围水平支撑长度按相邻柱间距离计算，若无柱则为支撑全长。中国强轴周围水平支撑长度计算规则与日本相同。
日本对弱轴周围水平支撑的计算长度有以下几种情况：当支撑两端为基坑边墙或柱子时，计算长度为l；当支撑一端为基坑边墙或柱子，另一端为垂直相交水平支撑时，计算长度为1.5l；当支撑两端为垂直相交水平支撑时，计算长度为1.5l。
我国对弱轴周围水平支撑长度的计算规则是：若水平支撑无交叉，则取支撑的实际长度；若水平支撑构件有交叉，则取与支撑相交的相邻水平支撑构件的中心距；若水平支撑交点不在同一平面，则取与支撑相交的相邻水平支撑构件中心距的1.5倍。
日本水平支撑的温度荷载为1t/℃；我国水平支撑的温度荷载是按经验取的，并考虑了长度超过40m的支撑的内力变化。
2.4 柱设计方法比较
日本将柱简化为轴心受压构件；中国的模型简化方法为：当支撑体系按框架计算时，柱简化为偏心受压构件；当支撑体系水平构件按连续梁计算时，柱简化为轴心受压构件。
柱计算长度
日本柱的计算长度如图所示，我国柱长的计算规则为：最底层柱的计算长度为至基坑底净高与5倍柱直径或边长之和；其他层柱的计算长度为2层水平支撑间的中心距。
四、结论
与传统钢筋混凝土基坑支护相比，钢结构支护具有绿色环保、可重复使用、能快速形成刚度等优点，与液压千斤顶配合使用，还能实时施加和调整预紧力。虽然我国对基坑钢结构支护的研究和应用比较早，但由于政策引导、材料和人力资源成本等原因，钢结构支护并未得到广泛的推广和应用。相反，在日本，基坑钢结构支护已发展成为基坑支护的主要形式。本文对中日两国钢结构支护体系的设计方法进行了比较，理清了两国设计方法的异同，为我国进一步研究和推广应用钢结构支护体系提供参考。
