基坑工程装配式钢管混凝土内支撑力学性能与设计方法

20250116

建筑业

本项目从结构方案、构件、节点和材料四个维度出发，对装配式钢管混凝土支撑体系进行了系统设计。通过综合运用理论解析与数值分析手段，深入探讨了构件长度、结构形式、材料参数等关键因素对基坑开挖及支护稳定性与变形的影响。在此基础上，对设计参数进行了优化，并对结构方案进行了细化，成功研发出受力合理、性能卓越、装配便捷的新型结构构件及连接节点构造形式，形成了一套适用于不同工程背景的装配式钢管混凝土内支撑结构及其施工技术方案。 针对基坑内支撑支护体系的受力与变形特性，本项目综合运用理论解析与数值计算手段，深入研究了轴向变形、挠曲变形、围护结构变形、超大长细比等因素对支护刚度和极限承载力的影响机制。本项目探讨了支护有效刚度和极限承载力计算方法在支护性能分析中的关键作用，并建立了相应的计算模型与方法。 钢管支撑的安装过程较为简单，但其接头强度不足，整体刚度较小，导致抗变形能力差。相对而言，混凝土支撑的接头采用现浇形式，具备较好的整体性，却因造价高、拆除困难和工期较长而受到限制。为此，综合考虑钢管支撑与混凝土支撑的优缺点，我们提出了三种适合装配式支撑的新型活络端结构：钢管混凝土支撑模袋混凝土接头（MCCJⅡ）以及高脚螺栓-丝杠活络节点（HBS）。 基于1：1等比例的创新型活络节点的室内力学试验，研究了装配式钢支撑模袋混凝土固支接头（MCCJⅠ）、装配式钢管混凝土模袋混凝土固支接头（MCCJⅡ）和高脚螺栓-丝杠活络节点（HBS）在轴压和偏压加载下的破坏模式和变形特征，并定量化研究了3种创新型活络节点的承载能力。 利用Abaqus软件建立了新型支撑接头的有限元模型，并通过试验验证了模型的有效性。通过模型分析，揭示了不同参数对接头承载性能和变形特性的影响，为优化设计提供了方向。同时，基于结构特性和受力机制，推导了接头的抗压屈服荷载和刚度计算公式，并通过数值模拟和试验结果对比，验证了公式的精确性和适用性。此项研究为新型接头的工程应用和推广提供了关键理论支持。

合作方需提供以下资金支持：研发阶段至少需投入150万元，用于新技术的研究、原型开发和试验验证；生产阶段需追加150万元，用于购置生产线设备、原材料采购和初期生产；市场推广阶段需准备50万元，用于产品宣传、市场开拓和销售网络建设。资金可采取直接投资、贷款或融资租赁等方式。 在场地方面，合作方需提供以下空间资源：一个不少于200平方米的研发中心，配备实验室、测试区和办公区；一个不少于500平方米的生产基地，包括洁净车间、仓储区和物流区；以及一个不少于100平方米的行政办公区，用于日常管理和商务活动。 设备方面，合作方需配备以下硬件设施：高精度研发设备，包括但不限于实验室仪器、测试设备和原型制作工具；自动化生产线，包括数控机床、装配线和包装设备；以及现代化的办公设备，如计算机、网络设施和通讯工具。 人员方面，合作方需组建以下专业团队：一支由7名以上高级研发人员组成的团队，负责技术创新和产品开发；一支由7名以上生产技术人员组成的团队，负责生产流程管理和质量控制；一支由5名以上市场营销人员组成的团队，负责市场调研、品牌推广和销售渠道建设；以及一支由3名以上项目管理专家组成的团队，负责项目整体协调和风险控制。

可国（境）内外转让

经济效益：通过科技成果的转化，预计项目实施后三年内可实现累计销售收入超过700万元人民币，净利润达到200万元。项目投资回收期预计为2年，具有良好的财务内部收益率和投资回报率。 市场效益：项目产品将填补市场空白或显著提升现有产品的性能，预计市场份额在三年内达到行业总量的5%，建立起稳定的客户群和销售网络，增强企业的市场竞争力。 技术效益：项目将推动相关技术领域的创新，提升我国在该领域的自主研发能力，预计可申请发明专利5项以上，形成一系列具有自主知识产权的核心技术。 社会效益：项目实施将带动相关产业链的发展，创造就业岗位不少于50个，促进地区经济发展。同时，通过推广高效、环保的技术和产品，有助于提升行业整体水平，促进可持续发展。 知识产权效益：通过项目的实施，将加强企业的知识产权布局，提高企业品牌价值和影响力，为企业的长期发展奠定坚实基础。 人才培养效益：项目过程中将培养一批高素质的技术研发、管理和市场推广人才，为企业的持续创新和行业的人才储备做出贡献。 通过以上预期效益的实现，本项目将为合作双方带来显著的经济增长点，同时推动行业技术进步和社会经济发展。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

2012 年北京市颁布了地方标准用以规范基坑内支撑的设计、施工和监测，对这类基坑工程中控制基坑变形的要求愈加严格，内支撑支护设计及施工技术是影响地铁深基坑施工安全、变形控制和施工进度的重要一环。 该规程建议的常用内支撑形式为钢支撑和现浇钢筋混凝土支撑。地铁深基坑工程中钢支撑多为圆形钢管结构，因单根钢管支撑刚度较小，故钢支撑设计间距一般不大于 3m，为方便机械开挖、加快施工进度，施工中常出现超挖或钢支撑架设不及时情况，由此引起的围护结构变形和地表沉降可增大 1-4 倍，与钢支撑配套使用的钢围檩空腔多，存在局部承载能力不足的问题，存放过程中易锈蚀失效，造成材料浪费。现浇钢筋混凝土支撑刚度大，支撑设计间距可达 6m 以上，能为基坑工程施工提供较为开阔的作业空间，但需在施工现场进行钢筋绑扎、混凝土浇筑及养护，施工周期长，且拆除困难，易造成大量材料浪费，拆除作业还会产生震动、噪声和粉尘，污染环境，现有现浇钢筋混凝土支撑拆除技术的研究仍无法从根本上解决这些问题。研究兼具钢支撑的安装拆除方便、可重复利用和现浇钢筋混凝土支撑的刚度大、整体性强双重优点的新型基坑内支撑具有重要实用价值 为解决传统装配式内支撑端部节点——活络端薄弱的问题，提出新型活络端的创新设计方案，并综合采用数值模拟和室内及现场试验的方法研究活络节点的破坏形态、受力和传力原理，明确应力分布、变形、承载力和破坏形式的变化规律，并建立轴心受压作用下的承载力计算方法以及小偏心受压作用下的承载力计算方法，进一步的研究新型活络端和装配式钢管混凝土支撑配套使用下的受力和变形机理. 本研究课题的具体内容如下： （1）从结构方案、构件、节点和材料 4 个层次对装配式钢管混凝土支撑进行了设计，综合采用理论解析方法和数值分析方法，研究了构件长度、结构形式、材料参数等因素对基坑开挖和支护稳定性与变形的影响，进一步优化了设计参数并细化了结构方案，从而提出了受力合理、性能优越、装配方便的新型结构构件和连接节点构造形式，形成一系列适用不同工程背景的装配式钢管混凝土内支撑结构及施工技术方案。 （2）针对基坑内支撑支护体系的受力与变形特点，综合采用理论解析和数值计算的方法，研究了轴向变形、挠曲变形、围护结构变形、超大长细比等因素对支护刚度和极限承载力的影响机理，探讨并改进了支护有效刚度和极限承载力计算方法对支护性能分析的重要作用，建立了支护有效刚度计算模型和方法及极限承载力计算方法。 （3）基于基坑工程事故中内支撑体系的破坏情况，从三个方面概括内支撑活络端的问题：目前基坑工程中常用的支撑形式为钢管支撑和混凝土支撑，钢管支撑安装简单但其接头薄弱且整体刚度较小，抗变形能力较差，混凝土支撑的接头为现浇，且支撑整体性好但造价较高且拆除困难，周期较长。因而综合考虑钢管支撑和混凝土支撑接头的优缺点，并从增强活络端强度、承载力及刚度三个方面，并结合组装、拆卸便捷的要求，提出2种适用于装配式支撑的新型活络端结构形式，分别为：钢管混凝土支撑模袋混凝土接头（MCCJⅡ）和高脚螺栓-丝杠活络节点（HBS）。同时也详细阐述了新型支撑接头的结构特点与工作流程和原理，为其在实际工程的应用提供了技术支撑。 （4）基于装配式支撑新型接头的结构设计方案，加工1：1 的新型接头的构件进行了室内力学性能试验。试验综合考虑了节点结构形式对支撑体系的轴向稳定性、挠曲变形及压弯承载力的影响，故主要进行了持荷试验、轴心受压和偏心受压力学试验。通过室内试验，揭示了各个新型接头的破坏形态、受力和传力原理；明确了其应力分布、变形、承载力和破坏形式的变化规律。研究结果表明：3种新型接头无论在轴心加载和偏心加载下最终发生的均为延性破坏，这一点符合工程的需要；其中钢管混凝土支撑模袋混凝土固支接头在轴压和偏压性能上表现尤为突出，但3种新型接头的抗压承载力均在4000kN以上，可满足大部分基坑工程支撑的支护需要。试验研究结果为装配式支撑结构的设计与应用提供了有力依据。 （5）鉴于不同材料参数对新型接头构件性能影响的复杂性与多样性，故采用Abaqus有限元软件，建立了3种新型支撑接头的精细化有限元数值模型，以深入探究不同参数条件下接头的力学行为。并通过与室内力学性能试验结果进行了对比分析验证了所建立模型的有效性，进而定量研究了不同参数下3种新型支撑接头的承载性能和变形特性的变化规律，基于此提出了新型支撑接头的未来优化设计的方向和参考指导。 （6） 基于新型支撑接头的结构特点和受力机制，采用理论分析的方法分别对不同加载条件下的接头进行了受力分析。根据接头的材料性能、结构形式以及受力方式，建立了不同受力作用下的力学模型，并以此为基础初步推导出了新型接头的抗压屈服荷载和刚度的计算公式。进一步结。