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，而基坑钢结构支撑在日本已发展为主要的基坑支撑形式。
通过对比我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。
一、基坑钢支撑结构体系简介
基坑支撑系统包括钢筋混凝土支撑体系和钢结构支撑体系两种。传统的钢筋混凝土支撑体系需要较长的制作和养护时间，制作后不能立即发挥支撑作用；拆除混凝土支撑的工作量大、粉尘污染严重、振动大、噪声大，且材料不能重复使用，不符合目前绿色施工的要求。地下钢支撑系统可以很好地克服钢筋混凝土支撑系统的上述缺点，不仅如此，钢结构支撑体系可通过液压千斤顶施加预压力，实时监控并调节支撑力，实现基坑位移的严格控制，以满足基坑周边地铁、重要管线等对基坑开挖环境效应的严苛要求。
钢支撑体系由水平型钢支撑、型钢立柱以及钢腰梁组成。与钢筋混凝土支撑体系相比，基坑钢支撑体系具有如下优点：
①自重轻、安装和拆除方便；
②施工速度快、可以重复利用；
③安装后能立即发挥支撑作用，对减小由于时间效应而产生的支护结构位移十分有效；
④可通过千斤顶施加预压力，实时监控并调节支撑力。
常见的基坑钢支撑体系有型钢支撑和钢管支撑两种
型钢支撑
钢管支撑
二、国内基坑钢支撑体系应用现状
我国于年1月出版了图集《建筑基坑支护结构构造》11SG，该图集给出了钢支撑系统常用的技术参数与节点构造；于年9月出版并于年修订了行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ-，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m，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。
北京国贸二期钢支撑布置平面
钢筋混凝土支撑由于刚度大、成本低、施工方法相对简单，占据了我国基坑支护的主要市场。钢支撑仅在对基坑位移要求较为严格的基坑中得到较多应用，且常采用第1道支撑为钢筋混凝土支撑，第2道支撑为钢支撑的做法。
钢支撑与钢筋混凝土支撑结合
国内钢支撑常用的材料有钢管和型钢2种。钢管多用钢管，型钢支撑多用H型钢，组合型钢也可作为钢支撑。钢管支撑为中心对称截面，在压力作用下平面内外稳定性一致，因而应用最为广泛。由于钢支撑的刚度约为钢筋混凝土支撑的1/5～1/10，内公认钢支撑的适用范围为跨度40m形状的规则基坑。钢支撑体系常用的平面布置形式有对撑、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。
钢支撑典型平面布置
钢管支撑的接头形式有焊接和螺栓连接2种，螺栓连接现场拼装便捷、无焊接残余应力问问题，因而在实际应用中较为常见。
钢管支撑螺栓连接
为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，对钢支撑施加可调节的轴压力，提高支撑的刚度。在对钢支撑施加预加力的基础上，我国于年左右开始研发基坑位移监测技术，并将两种技术相结合，形成了钢支撑轴力自动伺服系统。实现了液压千斤顶对钢支撑施加轴力的实时监测与调整。
除传统钢支撑体系外，近年来国内从韩国引进一种新型的钢支撑体系：鱼腹梁钢支撑体系。该体系通过对鱼腹梁弦上的钢绞线施加预应力，形成了大跨度的腰梁结构，经与角撑对撑和三角形连接点组合，形成一个平面预应力支撑系统。其由鱼腹梁腰梁、钢绞线、三角形连接点、预压顶紧装置、角撑、对撑、立柱和牛腿等部件组成。该体系最大优点是支撑占空间小，可为基坑土方开挖提供开阔的空间。
鱼腹梁钢支撑体系
综上所述，地下钢支撑体系在我国的研究与应用开始较早，拥有配套的设计规范与图集，并研发应用了配套的轴力自动伺服系统，引进了鱼腹梁钢支撑体系。然而，由于钢筋混凝土支撑刚度大、施工简单、钢材历史价格高等原因，钢筋混凝土支撑仍然是最主要的支撑形式。钢支撑系统仅在地铁、隧道、重要管线沿线等对基坑位移要求严苛的基坑中应用较多。
三、中日基坑钢支撑体系设计方法对比
1、日本基坑钢支撑种类
根据日本的《环境基本法》、《资源有效利用促进法》，日本对建筑垃圾的主导方针是尽可能不从施工现场排出建筑垃圾。由于钢筋混凝土支撑最终需要凿除外运，形成建筑垃圾，而钢支撑为装配式结构体系，绿色环保，可重复利用，不产生建筑垃圾。因此，基坑钢支撑体系在日本得到广泛应用，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：水平支撑体系、拉锚体系、斜撑体系与拉杆体系。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，水平支撑体系由型钢腰梁、双向水平支撑梁、端部斜撑、角撑和立柱组成。
水平支撑体系结构组成
2、中日水平钢支撑体系设计方法对比
2、1设计依据对比
日本的水平钢支撑设计依据为《道路土工仮設構造物工指針》；中国的基坑钢支撑设计依据为《基坑支护技术规程》JGJ—和《钢结构设计规范》GB—
2、2腰梁设计方法对比
日本将钢腰梁的计算模型简化为两端简支的压弯构件，以45°端部斜撑为例，其计算跨度为l1+l2(见图)，轴压力的计入跨度如下图所示；中国将钢腰梁的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的中心距。
腰梁计算跨度
腰梁轴压力计入范围
2、3水平支撑设计方法对比
日本将水平支撑的计算模型简化为以支撑为支座的简支梁，按压弯构件计算。弯矩为支撑在自重以及竖向施工荷载作用下产生的，轴力为基坑侧壁传递的压力，水平支撑计入侧向压力的范围。
中国也按压弯构件设计水平支撑，但模型简化规则如下：有立柱时，宜按空间框架计算；当竖向荷载较小时，可按连续梁计算，计算跨度可取相邻立柱的中心距。
日本的水平支撑绕强轴计算长度为相邻立柱间距，若无立柱，则为支撑全长；中国的水平支撑绕强轴计算长度规则与日本相同。
日本的水平支撑绕弱轴的计算长度有以下几种情况：支撑两端均为基坑侧壁或立柱，计算长度为l；支撑一端为基坑侧壁或立柱，另一端为垂直相交的水平支撑，计算长度为1.5l；支撑两端均为垂直相交的水平支撑，计算长度为1.5l。
中国的水平支撑绕弱轴的计算长度规则如下：无水平支撑交汇，取支撑实际长度；有水平支撑杆件交汇，取与支撑相交相邻水平支撑杆中心距；水平支撑交汇点不在同一平面，取与支撑相交的相邻水平支撑杆件中心间距的1.5倍。
日本的水平支撑温度荷载取值为1t/℃；而中国的水平支撑温度荷载按经验取值，长度超过40m的支撑考虑的支撑内力变化。
2、4立柱设计方法对比
日本将立柱简化为轴压构件；中国的模型简化方法如下：当支撑体系按框架计算时，将立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，将立柱简化为轴心受压构件。
立柱计算长度
日本的立柱计算长度如图所示，中国的立柱计算长度规则如下：底层立柱计算长度至基坑底面的净高度与立柱直径或边长的5倍之和；其他层立柱计算长度2层水平支撑间的中心距。
四、总结
与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。
来源：筑龙岩土
作者：白洁，葛杰，雷克
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