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改善温差对钢支撑轴力影响的一种装置冯朋东

发表时间：2020/9/4 来源：《基层建设》2020年第11期作者：冯朋东冯月珠

[导读] 摘要：钢支撑的轴力因温差的影响，不能很好的控制在一个合适的范围内，这对支护结构来说是一个不稳定因素。

        中国电建市政建设集团有限公司
        摘要：钢支撑的轴力因温差的影响，不能很好的控制在一个合适的范围内，这对支护结构来说是一个不稳定因素。以减小温差对钢支撑轴力的影响为目的，本文研制出一种自动调节钢支撑轴力的弹性装置，它可以在温度升高时，吸收钢支撑在受力、受限空间因热胀而产生的过大轴力；又能在温度降低时，释放自身的力，使钢支撑的轴力不会因温度的下降而减少很多。
        关键词：钢支撑；轴力；温差；弹簧装置
        钢支撑在工程施工中的应用非常普遍，它在深基坑的安全支护中能够起到非常重要的作用，并且可以再回收利用，具有经济性、环保性特征。
        一、传统钢支撑组成与不足
        1、结构组成
        钢支撑一般由一个固定端、一个活络端，再就是与之相连的支撑体组成。它们之间用法兰盘连接，固定端与活络端分别搭在基坑两侧的钢围檩上。活络端安装前是能伸缩的，安装时在活络端用千斤顶加力达到要求载荷，再用钢楔销死。
        2、温差对钢支撑轴力的影响
        钢支撑安装时是有一个预加应力的，这个力最好是稳定在一定范围内，过大或过小都会对支护的稳定性产生不利影响，由于热胀冷缩的原因，温差对钢支撑轴力的影响是显而易见的。就公司正在施工的哈尔滨地铁2号线项目而言，属高寒地区，年温差∆T在70度左右。倘若基坑宽度L按20m算，钢材的热膨胀系数α为1.2×10-5/℃，如果钢支撑在夏天最热的时候安装，到冬天最冷的时候钢支撑的长度会缩短16.8mm（∆L=L×∆T×α=20×1000×70×1.2×10-5=16.8）。假设钢支撑两端的地连墙或围护桩不移动或不变形，那么钢支撑的轴力将有可能消失，基坑围护结构的稳定性将会受到严重威胁，处于自由状态的钢支撑本身也是一个很大的危险；反之，就会因轴力过大而损坏围护桩或者导致钢支撑产生塑性变形。当然，这只是数字上的计算，实际上钢支撑处于受力状态时，温度的变化引起长度上的变化不一定明显，这主要取决于支护体系的刚性状态和周围岩土体的性能。若钢支撑受约束条件明显，那么温差对轴力的影响也明显，不少这方面的论文也论述了这一问题，例如，广西轨道交通试验组就测出，处于受力状态的钢支撑，在6度到38度的情况下，温度每增减一度轴力变化4.6吨，在过高或过低时就不是线性的了。
        3、不足之处
        面对温差问题，多数主张是根据天气变化，预先对钢支撑的轴力进行调整，有的还提出具体调整的方案。但这些调整总会是滞后的，有时是来不及的，因为钢支撑的数量有时会很多，一天之中温度随时都在变化，说不定哪一阵风吹来一片云，就会下一阵雨，温度可能会骤降10多度，怎能忙得过来。也许你还没开始调整，事故就已经发生了。例如，深圳某地铁就发生过类似事件，暴雨导致气温骤降21度，从而致使暴雨时段钢支撑60%以上的轴力消失，地下连续墙出现了裂缝和渗漏。
        二、钢支撑轴力改善装置
        1、原理
        本次改善是在总体不改变的情况下，在钢支撑中加一个储能器，把钢支撑做成“弹性钢支撑”。
        温度变化时，钢支撑的轴力之所以会急剧改变，是因为其长度有发生改变的趋势。如果有一弹簧存在，在其有伸长趋势时弹簧就会被压缩，在其有缩短趋势时弹簧也能伸长，轴力的变化一定还是会有的，但会小很多。前面我们已经计算过了，在哈尔滨，20米长的钢支撑年最大伸缩量不过16.8mm，弹簧的工作行程也就不用超过这个长度。现在的要求是制造出一种弹簧，在轴向预加力（比如30吨）达到要求时它处在工作的中间位置，在被压缩或伸长10mm后仍能保证弹力达到钢支撑的轴力要求就可以了。如果把弹簧的工作行程制作成±8mm而不是±10mm，行程短会使得整个结构更加稳定。按弹性定律来说，如弹簧在30吨的压力F下工作行程L能达到50mm，每增减长度∆L=8mm，力的变化∆F为4.8吨（∆F=F/L×∆L=30/50×8=4.8），基本可以保证轴向力不急剧波动。据此我们可以比较，温度变化一度，不加弹簧的钢支撑轴力增减4.6吨，而加上弹簧的钢支撑长度变化为：∆L=L×α×∆T=20×1000×1.2×10-5×1=0.24mm，那么力的变化为：∆F=F/L×∆L=30/50×0.24=0.144吨。改观还是不小的，力的改变差不多减小了30（4.6/0.144=31.94）多倍。
        2、结构组成
        本文研制出一种自动调节钢支撑轴力的弹性装置，主要包括法兰盘、圆筒、加强筋及弹簧共4部分。
        如图所示：

        这是一个组装好的剖视图，两端是两个法兰盘，中间是（N个）压力弹簧，弹簧外周是分别与左、右法兰盘焊在一起的圆柱筒。组装顺序如下：
        （1）将两个圆筒套在一起后，把小圆筒与左边的法兰盘焊在一起。
        （2）在左法兰盘上焊接与弹簧内径相仿的、比弹簧压缩后还短的圆柱，固定弹簧位置；
        或者在左右法兰盘上各加工一个圆槽，直接将弹簧（弹簧自由状态下长度较长）放入筒中。（也可以用其它方式定位弹簧）
        （3）放好法兰盘，用压具（千斤顶）加在两法兰盘两侧，将弹簧压缩至右边法兰盘能与大圆筒相接后焊在一起。
        （4）钢支撑安装时，此装置可以代替固定端（用固定端改造），也可以串联其中，视情况而定，其自重较大尽量靠边。
        3、注意事项
        （1）钢支撑预加轴力的大小是根据工程的实际需要而定的，前面用来验算的轴力（30吨）只是一种假定，工程实际会有不同。
        （2）弹簧的具体性能、尺寸要根据钢支撑预加轴力及轴力允许变动范围来研制，研制过程中也要照顾钢支撑的尺寸要求，弹簧的数量可以为N个。
        （3）根据弹簧的性能、尺寸来确定大、小圆筒的尺寸。
        （4）焊缝的强度、钢筒的厚度、加强筋的大小等还需要经过计算和试验。
        （5）弹簧工作行程8mm（是一种假定）会不会引起整个支撑的不稳定呢？这也是一个问题，应该说还是在位移监测安全范围以内的，一旦压缩达到此位置，就无法再被压缩，支撑力与原钢支撑相同。
        （6）既便是安装了此装置，冬天到夏天的季节转换前还是应对钢支撑的轴力进行相应的调整（越来越热轴力可相对调小些，越来越冷轴力可相对调大些），以保证钢支撑轴力的稳定。
        三、应用前景
        本文研制的弹性装置，制作容易，使用方便，材料选用需要满足受力与弹性要求。它可以自动调节温差对钢支撑轴力的影响，避免了安全事故的发生，同时能降低施工成本，相信在以后的钢支撑支护中会起到重要作用。尽管上面结合附图对此弹性装置的使用方法进行了描述，但是此弹性装置并不局限于上述的具体实施方式，此装置对于其它支撑或构件不无参考意义。
        四、结语
        温差对钢支撑有着不可忽视的影响，此弹性装置可以自动改善温差对钢支撑轴力的影响，希望可以应用的实际中，有条件的同仁们不妨一试。最后，由衷地感谢张秀莲老师对本篇论文的指导。
        参考文献：
        [1]长沙理工大学——南宁轨道交通广西大学站检测报表
        [2]何玉华.温差对钢支撑轴力的影响及调整方法.城市建设理论研究电子版.2012（4）