专利名称：：一种无立柱变截面钢管支撑的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及基坑施工的
技术领域：
，具体地说是一种用于基坑施工中的23m跨无立柱变截面钢管支撑(以下简称变截面支撑或支撑)。技术背景在目前国内大量的地铁车站和道路下立交工程基坑设计施工中，等截面(J)609钢管支撑，已被广泛使用，根据有关规定和专家评审要求，当基坑跨度"Om时，在支撑跨中必须设立柱桩(一般称为超长支撑)，这点主要是从支撑的稳定性方面考虑的，对防止施工中因挖机、吊机的不当操作，碰撞而造成支撑掉落也有一定的安全保障作用。然而在施工实践中，对〉20m跨度基坑一刀切，必须设立柱桩也存在一定问题。1、投资较大。如一个240A^24M宽基坑，设立柱桩和纵向拉梁，以目前基坑设计中通常做法为例，每根立柱桩的设计为小800x25m钻孔桩,500x50(^20m格构柱，36#—40#双拼槽钢纵向拉梁，每8-10m长开间造价约在4万左右。这样，将增加工程投资，240/8X4=120万左右。2、浪费资源；作为临时工程，立柱桩的大部分材料将无法回收利用。3、降低施工工效和时空效应。其中主要是对挖土支撑就位结构施工等方面的影响最大。从基坑安全角度，也降低了时空效应增加变形。其次，在地铁站端头井(不连机房)基坑设计中，一般〉20m支撑仅2—8根，为设立柱桩也必须进一套钻孔桩设备，一周工期就必须退场很不经济。另外，立柱施工，格柱和拉梁架设拆除，中板留孔补孔等也占用不少绝对工期。'
发明内容本实用新型的目的在于提供一种改进的无立柱变截面钢管支撑，它可克服现有技术中投资较大、浪费资源和降低施工工效和时空效应的一些不足。为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是一种无立柱变截面钢管支撑，它主要包括钢管体，其特征在于钢管体的两端设有等截面钢管，等截面钢管与钢管体之间通过变径管相连，钢管体的直径大于等截面钢管的直径。使用时本实用新型的主要措施是加大支撑中间部分断面抗矩，以增加最少量的材料来达到解决长细比过大问题的目的。对目前常见的城市道路下立交，隧道明挖段，地铁站标准段及端头井等工程项目，在基坑设计时，当钢支撑净跨度在20-23M范围，设计轴力《2500KN，一般情况下，采用变截面支撑不设立柱桩，通过理论计算表明，其安全性非常可靠，技术经济效果也较明显，同时减少了施工工期。图1为本实用新型的支撑计算简图图2为本实用新型一实施例的结构示意图图3为本实用新型的局部结构示意图图4为图3中A-A处的剖视图图5为图+中B-B处的剖视图图6为本实用新型法兰螺杆的计算简图具体实施方式以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。本实用新型主要包括钢管体1，其与现有技术的差别在于钢管体的端部设有支撑钢管2，支撑钢管与钢管体之间通过变径管3相连。钢管体的两端设有支撑钢管，钢管体内部设有至少2道加强板4，加强板厚16mm。钢管体采用809钢管，壁厚为16mrn;支撑钢管采用609钢管，壁厚为16mm，变径管的另一端直径与钢管体相同，变径管与支撑钢管、钢管体之间通过法兰相连。整根无立柱变截面钢管支撑的长度根据相应轴力，在20-25M范围内选择使用。无立柱变截面钢管支撑的结构设计是从受力需要，与609管通用性及经济性考虑的。从图2中可以看出支撑二端仍为常用的16*609管，仅中间部分改为16*4)809管及600-800变径管，809管内部应设置3道加强板，厚16inm。靠609端法兰与原609法兰相同，以便可以互相通用。根据以上构造及设计参数经初步估算，该支撑能满足设计轴力IOOO認及2500KN的承载能力。下面对变截面支撑承载力进行验算及论证；变截面支撑的受力分析，计算简图和主要设计参数；支撑在就位后予压前是一根简支的钢管梁，仅承受自重。予压后即成为一根二端铰接的水平压杆。除承受自重外，主要承受地墙传来的轴力。此外应考虑施工中发生的偶遇荷载(横向力)，同时还需要考虑支撑的初始弯曲，钢管的残余应力等不利因素。因此实际上是一根二端铰接的偏心压杆。变截面杆与等截面杆的主要差别是在同等荷载下，变截面杆的变形和弯曲应力明显减少，弹性微变形推迟，因此增加了稳定性承载力，或达到增加其跨度的目的。1，计算简图根据支撑的实际工作情况，支撑在予压后可考虑为二端铰接支承，受轴力，剪力和弯距(横向力)共同作用。予压后计算简图见图1。2，设计荷载(1)，设计轴向压力N，按18M深基坑，上海地区常见地质，单根支撑受荷面积12M2，地面附加荷载按30認计算，根据统计，一般情况下，第一道支撑设计轴力<1000認，第一道以下支撑<2500認。(均已考虑荷载分项系数1.2)。因此下面的验算，第一道支撑设计轴力取IOOOKN。第一道以下支撑设计轴力取2500KN。(2)横向力q，即支撑自重；初定尺寸按图2，标准拼接五段四接头总重69認KN，考虑短拼接及残余土因数*1.2二82.8認近似折合q=3.6KN/M。(3)横向力P，考虑挖机及吊机造成X或Y方向偶然荷载，按0.6M3长臂挖机斗重+土重*1.4取20KN。根据实际施工操作，该荷载仅对第一道支撑向下或横向作用，对第一道以下支撑则向上作用。(4)，轴力偏心e。其支撑的初始弯曲，初始的偏心，材料的不均匀性，钢管的残余应力等不利因素，折合为轴力偏心e，按LX2/1000，取5CM。3，设计荷载组合；荷载组合(1);为9+,+Pl(偶遇组合荷载)。组合(2);为q+Ne+P—(因其P—与P|应力效应相等，组合(2)可以略)。组合(3)为cj+Ne。(标准组合，其中Pt与q反方向作用，可不予考虑)。根据以上荷载组合分析，在设计计算上，支撑均可按单向偏心考虑。4，计算内力；第一道撑N4000脂<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>第二-五道撑N=2500KN<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>5，支撑材料，断面特征及参数；钢板采用Q345，按规范，钢管的抗压强度设计值户31KN/CM2。抗力分项系数二l.lll。成管方法为螺旋板自动焊接。609管；壁厚16mm，A=298.4CM2，g=232KG/M，r=21CM，W=4301CM3。809，管壁厚16,，A二398.4CM2，g=310KG/M，r=28.0线W=7733CM3。变径管材料及制作相同，中径截面A二352CM2，G=276KG/M。钢支撑的设计，一般按二端铰接偏心压杆进行计算。需进行支撑强度，刚度，和稳定性及连接四方面的验算。(一)，第一支撑验算；.按最不利原则，取L/2处截面及L/4处截面验算。(1)抗压强度应满足"=^八11+1^/￥《+My/Wy《/。L/2处截面；J=1000/398.4+40300/7733=2.51+5.21二二7.76KN/CM2。L/4处截面;"=1000/298.4+27500/4301=3.35+6.4二二9.75KN/CM2。均</。以上计算均未按钢结构设计规范(2)计入截面塑性发展系数7x有利影响，偏于安全。(2)刚度验算；长细比^计算；由于钢结构设计规范中没有变截面支撑相关内容规定，故参照有关文献(1)。"变截面轴压杆在刚度计算中，回转半径，r可采用跨中截面r，杆的计算长度L0由变截面段的形式n，惯性矩比工min/工max，以及中间段长度与全长的比值ml，来确定铰接杆的长度换算系数y"。考虑到变截面形式要符合安全，实用，通用性及经济性要求，本文选择的变截面形式与文献(1)有一定差别。为此，验算中对文献(1)中^"值，殴拉临界轴力N，EX值分别进行了调整。由n二3，Imin/lmax二0.55，"mi二8M/23M二0.35，查表^二1.03，取1.2(已调整)。这也符合文献(3)上海市基坑工程设计标准GBJ08-97，9.4.1.2的规定LO二l.2礼。另按二端铰接柱其长度系数l.O，则2X2300/28.04=98.4，满足钢结构设计规范[2]《150相关规定。计算最大挠度；按简支梁计算，5q二1.85CM，5P=0.77CM，Se=1.85*(l.13/3.6)=0.58CM，(将Me折算为均布荷载二l.13KN/M)，迭加后S0二1.85+0.77二2.62CM，考虑轴力对挠度的影响，按公式Smax二50/1-a计算(S0中不计入Se)S随二2..62/0.88二2.97CM，"1/700L。〈1/500L满足规范要求。式中a=N/NE=0.116，(N二1000KN，NE为809管殴拉临界轴力二8580KN)。(3)稳定定性验算；按钢结构设计规范弯矩平面内稳定性验算式应该满足。二(N/①XXA)+PmxMx/Wlx(1-0.8XN/N,EX)《/。(考虑截面塑性发展系数^X)。该式适用于等截面杆，钢结构设计规范要求取丽AX。但如对变截面杆取跨中最大弯矩不符合实际受力情况，故以下按最不利荷载取L/2处，及L/4处截面分别进行验算。L/2处截面；N二1000KN，A=398CM2，MXM08認.M，二40800KN.CM。义取98.4。N，EX=("2EA/1.l义)。式中截面面积A取700管二346CM2(己调整)。=9.86X2.1X104X346/1.1X98.42=6726KN。N/N，EX二1000/6726二0.148。(1—0.8*N/N，EX)二O.88。换算A二义X^/^/235=98.4X1.21二119。b类截面，查表C-2，OX二O.442。b类截面^(=1.15,等效系0二l(无杆端弯矩有横向力)，则"二(1000/0.442X398)+(1X40800/1.15X7733X0.88=(1000/176)+(40800/7826)二5.68+5.21=10.89KN/CM2</。L/4处截面；N二1000KN，A二298CM2，MX=275KN.M=27500KN.CM。^取98.4。N，EX=6726KN。N/N，EX二0148。(1-0.8*N/N，EX)=0.88。0)X=0.442，"X二l.15，阿。则"二(1000/0.442X298)+(1X27500/1.15X4301XO.88=(1000/131.7)+(27500/4353)二7.59+6.32二13.91KN/CM2</。(二)，第二-五道撑验算；按最不利原则取L/2处，L/4处验算1，强度验算应满足^二N/An+Mx/Wx《/，由于长细比义<100(见上计算)，可不考虑弯矩增大影响。L/2处截面；"=2500/398.4+36300/7733二6.28+4.7==10.98KN/CM2。L/4处截面；CT=2500/298.4+27300/7733二8.39+3.53=1192.KN/CM2。均〈/满足要求。以上计算均未按钢结构设计规范(2)计入截面塑性发展系数^X有利影响，偏于安全。2，刚度验算长细比同第一道撑。计算最大挠度；按简支梁计算，Sq二2.02CM，SP=0.77CM，5e二2.02氺(2.27/3.6)=1.27CM，(将Me折算为均布荷载二2.27KN/M)，迭加后S0二2.02+0.77二2.79CM,考虑轴力对挠度的影响，按公式5max=50/1-a计算(SO中不计入5e)Smax=2.79/0.71二3.93CM，"1/600L。〈1/500L满足规范要求。式中a二N/NE二0.29，(N二2500KN，NE为809管殴拉临界轴力二8580KN)。3，稳定定性验算按最不利原则取L/2处截面及L/4处截面验算。应该满足"=(N/①XXA)+PmxMx/Wlx(1-0.8XN/N，EX)《/。(考虑截面塑性发展系数^X)。L/2处截面(809管)；N二2500KN,，MX=363KN.M，=36300KN.CM。A二398CM2入=98.4。N，EX二6726KN。N/N，EX二2500/6727二0.37。(l-O.狄N/N，EX)=0.70。换算2二二119。。X二0.442。^X二1.15，6二1。则"=(2500/0.442X398)+(1X36300/1.15X7733X0.70二(2500/176)+(36300/7826二14.2+4.64二18.84KN/CM2</。L/4处截面(609管)；N=2500KN，。MX二273KN.M二27300KN.CM。A二298CM2，。入二98.4N，EX=6726KN。。N/N，EX==0.37。(1-0.8*N/N,EX)二0.70。换算义二119。OX二O.442。^(=1.15。3=1。^二(250/0.442X298)+(1X27300/1.15X4301X0.70)二2500/131.7+27300/3462二18.98+7.89=26.87。</。弯矩平面外稳定因双轴对称，验算可以略。4，变截面支撑的安全承载力；经试算，当N达到2900KN，L/2处截面的稳定"=21.75KN/CM2〈/丄/4处截面的稳定^^31KN/CM2二/，这说明该支撑的实际承载能力对设计轴力2500KN的安全系数为2900/2500=1.16。5，支撑的稳定承载力极限值；经试算，A撑当N达到3200KN时，L/3处截面稳定"接近34.5KN/CM2二/y(即屈服应力)。这可以认为在此压力下支撑已经处于弯矩平面内整体失稳状态。6，在临界轴力下的计算挠度；考虑轴力影响，Smax=2.02+0.77/0.63二4.43CM，=1/500L。式中a=N/NE=3200/8580=0.37，l-a=0.63。(三)，法兰联结验算；在横向力作用下法兰螺杆承受钢管传来的弯距和剪力共同作用。需对螺栓进行承载能力验算。计算简图见图6。螺杆按摩擦型计算。(1)材料尺寸及参数；高强螺杆采用16XM24,采用8.8级螺栓材，按规范，热处理后抗拉强度/u二83KN/CM2，/y二66KN/cm2。螺杆予拉力P取120KN。Ae=2.81CM2，摩擦系数^二0.35，摩擦面数n二l。(2)螺栓的轴向拉力和剪力；计算截面应按法兰连接处，为简便，内力取接近L/2处和L/4处，误差不大。第一道撑剪力分别为42KN及65KN。第二-五道撑分别为80KN及103KN。(3)螺杆拉力计算简图见图6。(4)法兰螺栓承载力按规范相关公式计算，验算结果见下表。法兰螺杆承载力验算表(单位M—KN.M。N—KN)N=1000KN接近L/2.5处809管法兰<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>计算结果表明均满足要求。表中Nbv，分别为每个螺杆的抗剪，抗拉承载力设计值。按钢结构规范公式计算；《-0.9XPXnfXp=37.8KN。W=0.8XP=96KN。Nv及Nt分别为每个螺杆的平均剪力和最大拉力。(4)法兰钢板计算略。变截面支撑的使用范围选用表；'在设计施工中，可根据基坑的实际宽度和设计轴力按下表进行选择使用。而支撑长度则可在609管段进行调节。支撑跨度20M21M22M23M24M25M承载力3000KN2800KN2600認2500KN1訓KN1500KN支撑的制作和拼装要求:支撑的制作；与609管一样无特殊要求，但变径接头制作要求尺寸正确，以保证拼装时轴心在同一直线上。809管内部应设置2道加强板，厚16mm.。其制作误差应保证拼装能达到规范要求。2，支撑的拼装和安装；管段拼装时，应注意螺栓予拉力的控制，在+10-15KN，要求使用测力扳手。支撑的固定，按照计算假定，支撑二端座是铰接，但在实际施工中，仅是搁置在临时焊接的钢牛腿上，不加固定，在施工中也发生过支撑掉落事故，从设计角度必须提出措施，确保支撑不因意外荷载而造成掉落。提出用钢牛腿加膨胀螺栓固定的方法，费用和工作量也不大。支撑在地墙上的支承面要力求平整，特别是中心承压板与地墙的接触面必须全部贴合。中心支承钢板以外部分空隙处用钢锲及快干砂浆填实，尽量减少轴力的偏心。钢管纵向轴线与地墙相互垂直，地墙折转处也应尽量保持垂直。3，其他方面；支撑上不得有任何附加荷重。吊装材料模板等过程中要控制重量〈15KN，吊臂在基坑上空旋转时，吊物离支撑高度<2M，防止超重超高物件掉落，冲击支撑而使其失稳。在实施中，现以一个300M长24M宽16M深底地下车站基坑为例。标准段设4道撑，端头井设5道，除端头井设斜撑外，纵向设36根立柱桩和格构柱，35*8=280M纵向型钢系梁。为方便，按8M—个开间计算。无立柱变截面钢管支撑桩方案<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表中看出，1，该项目如按设立柱桩包干，采用变截面支撑设计施工可节省投资107万左右。如包括间接增加费大约在120万左右。2，一次投入费用计算；一个300M长基坑一般分三段施工，只需要1/3支撑量周转二120根。609管不须投入，仅投入中间段重3.5T/根，则该项目采用变截面支撑一次投入总费用=3.5*120*6500=273万元。故一个施工单位如承包一个类似项目即可收回45%投资。3，由于该支撑与609管可以通用，也不会造成闲置。即便报废其残余价值也有1/4，故投资风险很小。权利要求1、一种无立柱变截面钢管支撑，它主要包括钢管体，其特征在于钢管体的两端设有等截面钢管，等截面钢管与钢管体之间通过变径管相连，钢管体的直径大于等截面钢管的直径。2、根据权利要求1所述的一种无立柱变截面钢管支撑，其特征在于等截面钢管体内部设有至少2道加强板，加强板厚16mm。3、根据权利要求1所述的一种无立柱变截面钢管支撑，其特征在于钢管体采用809钢管，管体内设有至少2道加强板，壁厚为16mm，等截面钢管体采用609钢管。4、根据权利要求1所述的一种无立柱变截面钢管支撑，其特征在于变径管的二端通过法兰分别与钢管体及等截面钢管相连；变径管与钢管体之间也可通过电焊连接。专利摘要本实用新型涉及一种无立柱变截面钢管支撑，其特征在于钢管体的两端设有等截面钢管，等截面钢管与钢管体之间通过变径管相连，钢管体的直径大于等截面钢管的直径。使用时本实用新型的主要措施是加大支撑中间部分断面抗矩，以增加最少量的材料来达到解决长细比过大问题的目的。对目前常见的城市道路下立交，隧道明挖段，地铁站标准段及端头井等工程项目，在基坑设计时，当钢支撑净跨度在20-23M范围，设计轴力≤2500KN，一般情况下，采用变截面支撑不设立柱桩，通过理论计算表明，其安全性非常可靠，技术经济效果也较明显，同时减少了施工工期。文档编号E02D17/20GK201221086SQ20082015039公开日2009年4月15日申请日期2008年6月30日优先权日2008年6月30日发明者胡汉德申请人:胡汉德