CN111851519A - 空间桁架多层内支撑体系 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间桁架多层内支撑体系，包括主桁架、连接件、预应力加载装置和控制装置；主桁架的下方设有次桁架和/或斜杆，构成基坑的内撑骨架，内撑骨架与基坑内的冠梁、腰梁相连接，且在内撑骨架与冠梁、腰梁的连接处的杆件上安装预应力加载装置，并通过控制装置控制预应力加载装置调整支撑轴力与支撑构件位移。本发明引入空间桁架进行基坑多层内支撑支护，支护效率高、安全性好，桁架可通过工厂预制成标准件，现场施工时各构件间主要通过螺栓连接即可完成安装，可大幅提高基坑支护结构的施工效率、提高施工质量、缩短工期、节约施工成本。
Description
技术领域
本发明属于基坑支护技术领域，具体涉及了一种空间桁架多层内支撑体系。
背景技术
基坑属于临时结构，是指为进行建筑物（包括构筑物）基础与地下室的施工所开挖的地面以下基础空间。而基坑支护，是为保护地下主体结构施工和基坑周边环境的安全，对基坑采用的临时性支挡、加固、保护与地下水控制的措施。基坑支护工程的作用是挡土、挡水、控制边坡变形。基坑支护工程的目的在于：（1）确保基坑开挖和基础结构施工安全、顺利进行。（2）确保基坑临近建筑物、地下管道、管线等周边环境正常使用。（3）防止地面出现坍塌、坑底隆起发生。
在基坑工程的实践与发展中，基坑支护的结构类型越来越多种多样、灵活多变，每种类型的适用条件、工程经济性等方面各有特点，具体采用何种支护方式需依据周边环境、基坑土质和深度、地下水水位、施工作业设备和施工季节等情况而定。若是浅基坑支护，常见的支护形式有：（1）锚拉支撑；（2）斜柱支撑；（3）连续式垂直支撑；（4）间断式水平支撑；（5）断续式水平支撑；（6）短柱横隔式支撑；（7）临时挡土墙支撑；（8）型钢桩横挡板支撑；（9）短桩横隔板支撑；（10）临时挡土墙支撑；（11）挡土灌注桩支护；（12）叠袋式挡墙支护。深基坑支护的形式主要有：（1）土钉墙支护；（2）钢板桩支护；（3）水泥土墙支护；（4）支护桩内支撑支护；（5）支护桩土层锚杆支护；（6）挡土灌注支护桩或地下连续墙支护；（7）支护桩支护；（8）地下连续墙；（9）水泥土桩墙；（10）逆作拱墙。
基坑工程是一种临时工程，地下结构建设完成后，基坑的任务也就完成。基坑的水平支护体系可分为桩锚杆体系和内支撑体系。桩锚杆体系一般需要锚固在基坑外部，既会影响相邻地块的开发，又可能对临近建筑带来危险。而内支撑体系一般以梁的形式布于基坑内部，可根据土方开挖和地下结构的施工进度进行支设或拆除，搭设形式和施工过程较为灵活，因此工程上一般采用内支撑体系。
内支撑体系按照材料可分为钢筋混凝土支撑和钢支撑。其中，钢筋混凝土支撑一般为一次性工程，且存在诸多问题：（1）施工工序繁杂，施工周期长；钢筋混凝土支撑的施工工序包括打垫层、绑钢筋、支模板、浇筑混凝土、养护、拆模等，且支撑体系多呈“井”字排列，数量多，不仅其自身施工需花费很长时间，还会导致基坑开挖的施工进度缓慢。（2）无法循环使用；基坑开挖完成后，钢筋混凝土支撑需进行拆除，由此会产生大量的建筑垃圾，造成资源浪费，不利于城市的可持续发展。而常用的钢支撑虽然在一定程度上解决了浪费问题，但是其结构多为常见形式，一般为梁式布置，但梁刚度小、结构易弯，因此支护效率低，所需的支护密度比较大，导致施工空间狭窄，造成施工周期延长，为保证基坑安全往往需要加大用钢量，经济性并不够高。
当前，城市尤其是一、二线城市的土地资源日益紧张，为了使土地资源利用率最大化，城市建筑正不断往纵向发展，未来城市建筑的规划和修建，高度必将越来越高、深度必将越来越大。可以预见，随着城市地下空间开发大利用时代的到来，基坑工程势必向着更大深度和更大面积的方向发展。而我国目前仍处在交通建设的快速发展期，社会、经济、交通等发展的需要促使桥梁向着超大跨径迈进，悬索桥锚碇、拱桥拱座等施工时需进行的基坑工程数量和规模亦将越来越大。综上可知，城市建筑和桥梁工程的发展势必催生更多更大的基坑建设工程，而基坑多层内支撑结构的安全性和经济性等将迎来重大考验，研发安全度更大、经济指标更优的基坑多层内支撑体系有着巨大的工程意义。
基坑支护工程造价高、开工数量多，是各施工单位争夺的重点，但因技术复杂、涉及范围广、变化因素多、事故频繁，又使其成为建筑工程中最具有挑战性的技术难点，同时也是降低工程造价，确保工程质量的重点。基坑支护工程是岩土工程、结构工程以及施工技术互相交叉的学科，是多种复杂因素交互影响的系统工程，是理论上尚待发展的综合技术学科。将结构概念用于基坑支护的创新并采用先进施工工艺建设的更安全经济的基坑多层内支撑体系，既是基坑支护工程未来的发展方向，又可产生巨大的社会经济效益。
发明内容
本发明的目的是为了弥补现有基坑多层内支撑体系的缺点，优化基坑水平或斜撑支护结构，提出了一种空间桁架多层内支撑体系。本发明引入空间桁架进行基坑多层内支撑支护，支护效率高、安全性好，桁架可通过工厂预制成标准件，现场施工时各构件间主要通过螺栓连接即可完成安装，可大幅提高基坑支护结构的施工效率、提高施工质量、缩短工期、节约施工成本。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种空间桁架多层内支撑体系，包括主桁架、连接件、预应力加载装置和控制装置；所述的主桁架的下方设有次桁架和/或斜杆，构成基坑的内撑骨架，内撑骨架与基坑内的支护桩的冠梁、腰梁相连接，且在内撑骨架与冠梁、腰梁的连接处的杆件上安装预应力加载装置，并通过控制装置控制预应力加载装置调整支撑轴力与支撑构件位移。
在本发明中，通过将结构概念用于基坑支护的创新，引入空间桁架进行基坑多层内支撑支护，可提高内撑体系的支护效率，降低基坑开挖的施工风险；通过采用钢结构，可实现循环使用，有利于可持续发展；通过采用先进施工工艺，可缩短基坑工程施工周期，节约资金。
作为本发明进一步说明，所述的主桁架和次桁架可分别采用拱式桁架、普通桁式桁架或者变高桁式桁架；若为拱式桁架，则主桁架采用正放或倒放方式；若为普通桁式桁架，则主桁架做成带拱结构或不带拱结构的普通桁架；若为变高桁式桁架，则主桁架为三角形桁架、梯形桁架、多边形桁架或者空腹桁架。
作为本发明进一步说明，所述的主桁架、次桁架和斜杆采用的构件可空心或内充填胶结材料；所述的胶结材料包括但不限于混凝土、压浆料、环氧树脂等。例如在钢结构中充填混凝土材料，则构成钢管混凝土。
作为本发明进一步说明，所述的主桁架的片数可根据基坑深度和宽度而定，且内撑骨架可单独使用或与传统的水平对撑、斜撑组合使用，在同一支撑位置处的主桁架为两道以上拱式桁架时，桁架间设一字形、V字形、K字形、三角形或米字形横联。
作为本发明进一步说明，所述的拱式桁架的拱轴线为多段折线、二次抛物线、悬链线或悬索线。
作为本发明进一步说明，所述的主桁架、次桁架和斜杆采用的构件的截面为箱型、圆型，或者构件为通用的型钢。
作为本发明进一步说明，各构件相互连接时采用焊接、铆接、螺栓连接或栓焊结合的方式。
作为本发明进一步说明，所述的连接件用于各构件间的相互连接，包括轴向连接件、横向连接件、直角或非直角连接件。
作为本发明进一步说明，所述的预应力加载装置为常用类型的千斤顶、荷载箱或任何形式的加载装置。
作为本发明进一步说明，所述的控制装置采用伺服控制装置或主动控制装置。本发明中所采用的伺服控制装置是一种能对构件的机械运动按预定要求进行自动控制的操作系统，指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。本发明中所采用的主动控制装置是一种对生产中某些关键性参数进行自动控制的系统，其作用是当参数受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状态时,能够被自动地调节而回到工艺所要求的数值范围内。
本发明的优点：
1.各构件为工厂预制的标准件，可在工厂拼接运至现场，减少现场拼接工程量，降低工人安装工作量，保证工人施工安全。装配简单方便，施工快捷，可降低人为及天气因素的影响，提高施工质量，减小基坑工程施工风险。
2. 引入空间桁架进行基坑多层内支撑支护，可为施工提供大空间，便于车辆出入、便于坑底地基基础工程及大型桩基机械施工。
3.引入空间桁架进行基坑多层内支撑支护，支护效率高，需设置的水平或斜撑支撑数量少，对基坑开挖及出土影响小，可大幅缩短施工周期。
4.采用钢结构，无需现场浇筑、养护混凝土，可加快施工进度。根据需要，采用的构件可为空心或内充填混凝土、压浆料、环氧树脂等所有胶结材料，如在钢结构中充填混凝土材料，则构成钢管混凝土。
5.构件上安装了预应力加载装置和控制装置，可根据现场情况和支护需求，通过调整支撑轴力，实现对基坑变形的控制，大幅降低基坑工程对周边环境的影响。
6.根据基坑开挖深度，空间桁架多层内支撑体系可单独使用或与传统的水平支撑、斜撑组合使用。
7.在钢结构上设置喷淋系统，起到降低钢结构温度应力和现场施工降尘作用。
8.各构件损耗率低、周转期限长、回收利用率高，可实现循环使用，绿色环保节能，有利于节能减排和可持续发展。
附图说明
图1是本发明内撑骨架由主桁架和次桁架构成，主桁架为正放拱式时的立面布置示意图。
图2是本发明内撑骨架由主桁架和斜杆构成，主桁架为正放拱式时的立面布置示意图。
图3是本发明内撑骨架由主桁架和次桁架构成，主桁架为倒放拱式时的立面布置示意图。
图4是本发明内撑骨架由主桁架和次桁架构成，主桁架为普通桁式时的立面布置示意图。
图5是本发明内撑骨架由主桁架和次桁架构成，主桁架为变高桁式时的立面布置示意图。
图6是实施例的基坑平面示意图。
图7是现有技术中基坑支护原方案平面示意图。
图8是将本发明应用于实施例进行支护的立面布置图。
图9是将本发明应用于实施例进行支护的平面布置图。
图10是将本发明应用于实施例进行支护的1-1剖面布置图。
图11是将本发明应用于实施例进行支护的2-2剖面布置图。
图12是将本发明应用于实施例进行支护的3-3剖面布置图。
附图标记：1-主桁架，2-次桁架，3-斜杆，4-支护桩，5-斜撑，6-冠梁，7-腰梁，8-立柱桩，9-混凝土内支撑，10-吊杆，11-水平支撑，12-喷淋系统，13-角撑，14-八角撑，A-第一道支撑，B第二道支撑，C-第N道支撑。
具体实施方式
为阐述本发明的技术方案，体现其优越性和经济性，以下结合图1～图12和实施例，对本发明的做进一步说明（此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明）。
实施例：
一种空间桁架多层内支撑体系，包括主桁架1、连接件、预应力加载装置和控制装置；所述的主桁架1的下方设有次桁架2和/或斜杆3，构成基坑的内撑骨架，内撑骨架与基坑内的冠梁6、腰梁7相连接，且在内撑骨架与冠梁6、腰梁7的连接处的杆件上安装预应力加载装置，并通过控制装置控制预应力加载装置调整支撑轴力与支撑构件位移。
如图1所示，所述的主桁架1采用拱式桁架，并采用正放方式，次桁架2采用普通桁式。
如图2所示，所述的主桁架1采用拱式桁架，主桁架1下方设斜杆3。
如图3所示，所述的主桁架1采用拱式桁架，并采用倒放方式，次桁架2采用普通桁式。
如图4所示，所述的主桁架1和次桁架2均采用普通桁式。
如图5所示，所述的主桁架1采用变高桁式桁架。
应用实例：
如图8-11所示，将本发明应用于某高层职工住宅楼的基坑支护，该楼用地面积2533m2，建筑面积30132m2，楼高100m，地上33层，地下3层，基坑开挖深度13.8m～14.4m，基坑坑底面积约2160m2，支护长度约201m。基坑重要性等级为一级，设计使用年限一年。原支护方案为支护桩+混凝土水平内支撑支护，水平支撑的立柱系统采用角钢格构柱结合钻孔灌注立柱桩的组合立柱形式，基坑短边方向设置三道钢筋混凝土水平支撑，水平支撑系统呈角撑或对撑形式。
采用本发明主桁架为正放拱式、次桁架为普通桁式时的内撑体系，具体包括主桁架1、次桁架2、连接件、预应力加载装置、控制装置。主桁架1和次桁架2构成基坑内撑骨架并与冠梁6、腰梁7相连；内撑骨架与冠梁6、腰梁7连接处的杆件上安装预应力加载装置，并通过控制装置控制预应力加载装置调整支撑轴力与支撑构件位移。本体系引入空间桁架进行基坑多层内支撑支护，效率高、安全性好，不需另设立柱，可使开挖面最大化，缩短开挖时间；构件及其连接件均为预制标准件，构件间主要通过螺栓连接，现场装配、施工快。基坑水平支护结构使用周期结束后，经拆除检修可用于下一工程，实现绿色环保节能施工，降低施工成本。
利用本方案对该基坑进行支护后，其增益效果具体表现在：基坑工程施工时间缩短半年，节省资金30%至50%。
显然，上述实施例仅仅是为了清楚的说明本发明所作的举例，而并非对本发明实施的限定。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举；而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种空间桁架多层内支撑体系，其特征在于：包括主桁架（1）、连接件、预应力加载装置和控制装置；所述的主桁架（1）的下方设有次桁架（2）和/或斜杆（3），构成基坑的内撑骨架，内撑骨架与基坑内的冠梁（6）、腰梁（7）相连接，且在内撑骨架与冠梁（6）、腰梁（7）的连接处的杆件上安装预应力加载装置，并通过控制装置控制预应力加载装置调整支撑轴力与支撑构件位移。
2.根据权利要求1所述的空间桁架多层内支撑体系，其特征在于：所述的主桁架（1）和次桁架（2）分别采用拱式桁架、普通桁式桁架或者变高桁式桁架；若为拱式桁架，则主桁架采用正放或倒放方式；若为普通桁式桁架，则主桁架做成带拱结构或不带拱结构的普通桁架；若为变高桁式桁架，则主桁架为三角形桁架、梯形桁架、多边形桁架或者空腹桁架。
3.根据权利要求1或2所述的空间桁架多层内支撑体系，其特征在于：所述的主桁架（1）、次桁架（2）和斜杆（3）采用的构件可空心或内充填胶结材料；所述的胶结材料包括但不限于混凝土、压浆料、环氧树脂。
4.根据权利要求3所述的空间桁架多层内支撑体系，其特征在于：所述的主桁架（1）、的片数根据基坑深度和宽度而定，且内撑骨架单独使用或与传统的水平支撑、斜撑组合使用，在同一支撑位置处的主桁架（1）为两道以上拱式桁架时，桁架间设一字形、V字形、K字形、三角形或米字形横联。
5.根据权利要求2所述的空间桁架多层内支撑体系，其特征在于：所述的拱式桁架的拱轴线为多段折线、二次抛物线、悬链线或悬索线。
6.根据权利要求1所述的空间桁架多层内支撑体系，其特征在于：所述的主桁架（1）、次桁架（2）和斜杆（3）采用的构件的截面为箱型、圆型，或者构件为通用的型钢。
7.根据权利要求6所述的空间桁架多层内支撑体，其特征在于：所述的构件相互连接时采用焊接、铆接、螺栓连接或栓焊结合的方式。
8.根据权利要求1所述的空间桁架多层内支撑体系，其特征在于：所述的连接件用于各构件间的相互连接，包括轴向连接件、横向连接件、直角或非直角连接件。
9.根据权利要求1所述的空间桁架多层内支撑体系，其特征在于：所述的预应力加载装置为常用类型的千斤顶、荷载箱或任何形式的加载装置。
10.根据权利要求1所述的空间桁架多层内支撑体系，其特征在于：所述的控制装置采用伺服控制装置或主动控制装置。
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