一种预应力h型钢支护结构及其施工方法
【技术领域】
[0001]本发明属于建筑领域，具体涉及一种预应力Η型钢支护结构及其施工方法。
【背景技术】
[0002]在深基坑围护时，现有的围护粧通常采用钻孔灌注粧或沉管灌注粧，并且均采取现场浇筑的施工方法。如申请号201420330061.X，发明名称为现浇式体外预应力钢管混凝土粧及支护粧墙的实用新型专利，包括钢管、在所述钢管内部现浇而成的混凝土层和设置在所述钢管上的多根预应力筋，所述预应力筋沿钢管的轴线方向设置，包括顶段、中间段和底段，所述中间段位于钢管外侧，顶段和底段贯穿钢管管壁进入钢管内侧，所述钢管的上端开口，底端上具有一封闭结构。本发明还提供了具有前述混凝土粧的支护粧墙。通过上述方式，本发明的现浇式体外预应力钢管混凝土粧采用体外预应力技术，能够更好的对粧体进行约束，提供抗拉力，有效的限制了支护粧墙在基坑开挖过程中的变形；另外，可现场制作，节省运输成本，在保证基坑支护安全可靠的前提下，降低成本，缩短工期且施工方便。但是所述现浇式粧必须在混凝土达到强度要求后方可开挖基槽，施工效率较低。
[0003]申请号201420720609.1的实用新型专利，公开了一种自锚固预应力支护粧，包括混凝土粧体，所述混凝土粧体内部具有至少一根预应力筋，所述预应力筋包括靠近粧体底端的自锚固粘结段和靠近粧体顶端的非粘结段，所述非粘结段外部包覆有一预埋软管，所述预埋软管底端与预应力筋之间扎紧连接，所述预应力筋和预埋软管均向上穿出混凝土粧体，所述预应力筋底端延伸至混凝土粧体底部。通过上述方式，本发明结构简单合理，通过自锚固粘结段与混凝土之间的握裹力来提供预应力施加过程中的锚固力，不需要安装锚固端锚具即可进行预应力施加，比较方便。该实用新型通过施加预应力提高了支护粧的本身的强度，但是随着基坑的开挖，支护粧所受土体的压力逐步增大，为防止基坑侧壁土体变形过大，影响支护结构稳定性，需要设置多道支撑，施工较繁琐，且工程造价高。
[0004]申请号201420339975.2的实用新型专利，公开了一种Η形先张法预应力混凝土粧，粧身横截面形式采用传统的“Η”形结构，多根粧排列则可以拼接成连续的格构式整体结构。粧的每一侧有两个接合点，分别为凹槽和凸槽，粧与粧之间拼接时凹凸槽咬合。本发明参考钢结构中的Η型钢，加上预应力薄壁结构，引入到混凝土支护粧中，加大翼缘的支挡宽度，同时也提高了截面的惯性矩和刚度，具有支护强度高、施工效率高、占地少等综合优势。但是该种混凝土粧不能回收重复利用、成本高，且操作不便。
[0005]针对上述问题，申请号201420639760.2的实用新型专利，公开了一种基于预应力技术的可回收预应力筋异形支护粧，包括混凝土粧体，所述混凝土粧体内部具有至少一个预埋管，所述预埋管呈U字形，所述预埋管的底部折弯处位于混凝土粧体底部，所述预埋管的两个端部穿出混凝土粧体的顶部，所述预埋管中配设有U字形预应力预应力筋。通过上述方案在粧体完成主要目的后，释放掉张拉端预应力，通过机械力可以轻易地拉出预应力筋，达到回收的目的。
[0006]但是该种支护粧存在以下缺点:1)、只能回收预应力筋，而支护粧本身在完成基础施工后并不具有回收价值；2)、随着基坑的开挖，支护结构所受土体的压力逐步增大，为防止基坑侧壁土体变形过大，影响支护结构稳定性，需要设置一道或多道支撑，施工较繁琐，且工程造价高。若能对支护结构施加预应力，使其产生向坑外的应力，抵消部分土压力，则支护结构所受外力将会显著降低，达到减少布置支撑的目的。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种预应力Η型钢支护结构及其施工方法，解决现有技术中深基坑支护结构稳定性差、不能回收再利用以及支撑工序繁琐、操作不便的技术问题。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现:
一种预应力Η型钢支护结构，包括多个预应力支护单元和冠梁，所述冠梁设置在预应力支护单元的上端，且将多个预应力支护单元固定在一起。
[0009]每个预应力支护单元包括支护粧、多个钢支座和预应力筋，所述支护粧为Η型钢；所述钢支座自上而下垂直设置在支护粧上，且钢支座设置于支护粧朝向基坑中心的一侧，所述钢支座的长度自上而下先递增后递减，所有钢支座的端部均设置有限位装置，所述钢支座为Η型钢；所述预应力筋依次通过所有钢支座上的限位装置，预应力筋的一端锚固于支护粧的下部，另一端锚固于支护粧上端的冠梁上，所述预应力筋在钢支座支撑下呈拱形。通过设置限位装置使得每根预应力筋在施加预应力过程中不会相互干涉，保证整个支护结构的稳定性，所述钢支座为Η型钢。所述Η型钢翼缘宽、侧向刚度大、抗弯能力强，防止在施加预应力过程中钢支座变形，提高了整个支护结构的刚度和稳定性。
[0010]进一步改进，所述每个支护粧上设置有三个或五或七个钢支座。每个支护粧上相邻钢支座的间距为l-3m。所述位于支护粧高度方向中间位置的钢支座长度为0.5-0.9m。所述支护粧的长度为15m-30m。根据待开挖基坑的地质资料、基坑设计深度及周边环境确定支护粧长度、间距和支撑结构布置等，基坑设计深度越深支护粧的长度越长，钢支座的数量越多，最长钢支座的长度越长。
[0011]进一步改进，根据待开挖基坑的地质资料，确定每个预应力支护单元上预应力筋的数量，每个预应力支护单元上预应力筋的数量为3-5根，基坑设计深度越深，每个预应力支护单元上预应力筋的数量越多。
[0012]进一步改进，所述每个支护粧上的多个钢支座自上而下等间距设置，增加预应力支护单元的刚度。
[0013]进一步改进，所述限位装置与预应力筋相接触的表面为弧形，减小预应力筋与限位装置的摩擦，减小磨损、提高预应力筋的使用寿命。
[0014]进一步改进，所述钢支座通过焊接与支护粧连接，增加钢支座与支护粧的连接强度，保证整个支护结构的稳定性。
[0015]进一步改进，所述支护粧和钢支座的Η型钢的腹板上设置有多个加劲肋板，提高支护结构的稳定性。
[0016]—种利用预应力Η型钢支护结构进行支护的施工方法，包括以下步骤:
步骤一、预制预应力支护单元:根据待开挖基坑的设计深度，选定支护粧的长度和每个支护粧上钢支座的数量以及相邻钢支座的间距，支护粧的长度为1.4-2.0倍基坑深度，每个支护粧上钢支座为三个或五个或七个，每个支护粧上相邻钢支座的间距为1- 3m，在上述范围内，且在相同地质条件下，随着基坑设计深度增加支护粧的长度增加、每个支护粧上的钢支座的数量增加，将选定的支护粧和钢支座固定连接，预应力筋的一端锚固于支护粧的下部，预应力筋的另一端依次通过所有钢支座上的限位装置。
[0017]步骤二、打粧:利用打粧设备将多个预应力支护单元依次打入待开挖基坑的四周，支护粧设置钢支座的一侧朝向基坑中心，相邻支护粧的间距为0.8-1.6m，在此范围内，且在相同地质条件下，随着基坑设计深度增加相邻支护粧的间距减小。支护粧的下端深入待开挖基坑坑底以下，保证了在施加预应力时，基坑底部土体对支护粧下端支撑作用，提高了支护粧的稳定性。
[0018]步骤三、设置冠梁:在预应力支护单元的顶端设置冠梁，通过冠梁将所有预应力支护单元固定连接在一起；使得所有预应力支护单元与冠梁形成一个整体，保证了整个支护结构的稳定性。
[0019]步骤四、施加预应力:通过预应力施加装置对预应力筋施加拉力，保证每个预应力支护单元的多根预应力筋受到相同的拉力，将预应力预应力筋的上端锚固在冠梁上。
[0020]步骤五、基坑开挖:进行基坑开挖，并随着基坑开挖深度的增加逐步提高预应力筋预应力，基坑开挖到坑底时，将预应力预应力筋上端锚固在冠梁上。随着基坑开挖深度的增加，基坑侧壁土体的侧压力增大，则需要逐步提高预应力筋预应力以抵抗基坑土体的侧压力。
[0021]步骤六、进行地下结构施工。
[0022]步骤七、支护单元回收:地下结构施工完毕后回填土方，拆除支撑结构，然后依次释放预应力筋预应力、拆除冠梁、利用拔粧设备回收预应力支护单元。
[0023]进一步改进，所述步骤三完成以后在冠梁朝向基坑中心的一侧设置至少一个支撑结构。当基坑为单面支护时，支撑结构的另一端支撑在基坑另一面的土体上；当基坑为双面支护或三面支护或四面支护时，支撑结构的另一端支撑在基坑另一面的冠梁上，通过设置支撑结构抵抗基坑两侧土体的侧压力，进一步提高支护结构的支护效果。
[0024]因为每个支护粧上的多个钢支座的长度自上而下先递增后递减，预应力筋受力张紧后呈弧形，则预应力筋所受拉力的水平分量施加给支护粧，相当于支护粧对基坑侧壁土体施加向外的推力，很好的抵抗了土体的侧压力，减少了支撑结构的数量，节约成本。且随着最长钢支座的长度越长，预应力筋与支护粧的夹角越大，则预应力筋所受拉力的水平分量越大，对基坑侧壁土体的抵抗力越大。另外，由于每个支护粧上设置有多个钢支座，使得支护粧本身的强度得到提高，能够有效的防止支护粧因为施加预应力或土体的侧压力而变形。
[0025]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
1、本发明所述预应力Η型钢支护结构及其施工方法，通过对支护粧设置钢支座和预应力筋，预应力筋受力张紧后呈弧形，则预应力筋所受拉力的水平分量施加给支护粧，相当于支护粧对基坑侧壁土体施加向外的推力，则抵抗了土体的侧压力，提高了支护强度。
[0026]2、本发明所述预应力Η型钢支护结构及其施工方法，通过对预应力筋施加预应力来抵抗基坑侧壁土体的侧压力，减少了支撑的数量。
[0027]3、本发明所述预应力Η型钢支护结构及其施工方法，支护粧为Η型钢或钢板粧，钢支座为Η型钢，Η型钢翼缘宽、侧向刚度大、抗弯能力强，防止在施加预应力过程中钢支座变形，提高了整个支护结构的刚度和稳定性。
[0028]4、本发明所述预应力Η型钢支护结构及其施工方法，限位装置与预应力预应力筋相接触的表面为弧形曲面，减小预应力筋与限位装置的摩擦，减小磨损、提高预应力筋的使用寿命。
[0029]5、本发明所述预应力Η型钢支护结构及其施工方法，根据待开挖基坑的地质资料、基坑深度及周边环境确定支护粧的长度、钢支座的数量、钢支座的长度以及钢支座的间距，操作方便。
[0030]6、本发明所述预应力Η型钢支护结构及其施工方法，支护单元的钢粧、钢支座、预应力筋及预应力筋与支护粧底部的锚固均可以在工厂预制、组装，运至现场可直接打入，使用完成后可以回收，重复利用，节约成本。
【附