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通过对我国与日本钢结构支撑体系设计方法的对比,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。
基坑钢结构支撑体系简介
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制作和维护时间较长，制作后不能立即发挥支护作用，拆除混凝土支护工作量大，且造成粉尘污染。
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制作和养护时间较长，制作后不能立即发挥支护作用，拆除混凝土支护工作量大，造成粉尘污染。地下钢结构支护体系可以克服钢筋混凝土支护体系的上述缺点，另外钢结构支护体系可采用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，满足基坑周边地铁、重要管线等对基坑开挖环境影响的严格要求。
钢支撑
钢管支架
国内基坑钢支撑体系应用现状
我国于2011年1月发布了图集《基坑支护结构施工》11SG814，给出了钢支撑体系常用的技术参数及节点结构形式;1999年9月发布、2012年修订的行业标准《建筑基坑支护技术规范》JGJ120-2012规定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，设置3层水平支撑。钢支撑布置方式为：每隔8m左右布置一个水平支撑，在拐角处布置一个斜支撑，沿基坑宽度方向布置3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平面钢筋混凝土支撑凭借其刚度大、成本低、施工方法相对简单等特点占据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被广泛应用，而且往往第一道支撑为钢筋混凝土支撑，第二道支撑为钢支撑。
钢支撑与钢筋混凝土支撑组合
国内钢支撑常用材质有钢管和型钢，钢管多为609钢管，型钢多为H型钢钢结构水平支撑计算，组合型钢也可用作钢支撑。钢管支撑截面呈中心对称，受压时平面内外稳定性一致，所以应用最为广泛。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应用范围为跨度40m以上的规则基坑。钢支撑体系常用的平面布置形式有：、角撑、边桁、边架、圆拱支撑等。
一般来说，对于平面形状接近正方形、尺寸较小的基坑，宜采用角撑；对于形状接近正方形、但尺寸较大的基坑，宜采用环形或边桁架支撑；对于矩形基坑，宜采用双支撑或在支撑上增加角撑。
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，以提高支撑的刚度。我们着手研发基坑位移监测技术，将两种技术结合起来，形成钢支撑轴力自动伺服系统。该系统可实现对液压千斤顶对钢支撑施加的轴力进行实时监测和调节。
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。此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，结合角撑和三角连接点，形成平面预应力支撑体系。它由鱼腹梁腰梁、钢绞线、三角连接点、预压张紧装置、角撑、三角连接点组成。此体系最大的优点是支撑占用空间小，可以为基坑开挖提供宽阔的空间。
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，鱼腹梁钢支撑体系的推出。由于钢筋混凝土支撑刚度大，施工简单，加上历史钢材价格较高，钢筋混凝土支撑仍是主要的支撑形式。钢支撑体系仅在地铁、隧道、重要管线等对基坑位移要求严格的区域，在基坑中得到广泛应用。
中日基坑钢支撑体系设计方法比较
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建筑垃圾从施工现场排放。该支撑为预制结构体系，绿色环保，可重复使用，不产生建筑垃圾。因此，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。
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°端撑为例，其计算跨度为l1+l2（见图），轴压跨度如下图所示。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，弯矩是由支座在自重和垂直施工荷载作用下产生的，轴向力是由基坑侧壁传递过来的压力，水平支撑都纳入侧压力范围。
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如下：若支撑两端均为基坑边墙或柱，则计算长度为l；若支撑一端为基坑边墙或柱，另一端为垂直相交的水平支撑，则支撑计算长度为1.5l；若支撑两端均为垂直相交的水平支撑，则计算长度为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；若有水平支撑构件交叉，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钢结构水平支撑计算，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
日本的柱计算长度如图所示，我国的柱计算长度规则如下：底层柱计算长度为至基坑底部净高与5倍柱直径或边长之和；其他各层柱计算长度为2层水平支撑间的中心距。
总结
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、能够快速形成刚度等优点，还可与液压千斤顶配合使用，对支护施加预紧力并实时调整。结构支护的研究与应用起步较早，但由于政策导向、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，基坑钢结构支护在日本已发展成为主要的基坑支护形式。本文对中日两国钢结构支护体系的设计方法进行了对比，理清了两国设计方法的异同，为我国钢结构支护体系的进一步研究和推广应用提供参考。
