传统基坑钢支撑主要采用钢管单独或者组合设置 ^[1,2,3,4,5]，支撑整体性差 ^[6]，存在平面外受力等问题 ^[7]。而新型装配式H型钢支撑采用模数化的H型钢支撑构件，支撑间全部采用螺栓、连接板和节点装配式连接。构件连接、组合及安装方面有很大的便利性，支撑可以任意组合、拼装形成八字撑、双拼、三拼、双层等多种形式 ^[8]，形成组合钢支撑体系，增强支撑整体性。新型H型钢支撑体系如图1所示。

　　 本文以南京国际博览中心三期为工程背景，介绍了钢支撑双拼双层组合形式，该组合目的是加大支撑间距，便于土方开挖。为保证基坑安全，验证支护效果，了解双拼双层组合支撑的特性，对支护结构进行有限元分析和现场监测。

　　 南京国际博览中心三期包括3栋130m高层建筑(1栋酒店28层，2栋办公楼29层)，2个展厅建筑，整体设2层地下室。基坑面积约7.4万m²，周长约1 215m，基坑开挖深度约9.3～11.5m，规模巨大，施工周期较长，时空效应显著，基坑总体支护方案采用竖向围护结构+内支撑体系，内支撑为1道混凝土支撑，局部采用钢支撑替换混凝土支撑。水平面内2根H型钢通过连杆连接即为双拼，竖向平面内在系杆节点连接即为双层，形成4根一体的组合钢支撑(见图2)。

　　 场地周边环境较复杂，对变形控制要求较高。需重点保护的对象有:东侧有轨电车线路;南侧江山大街隧道;西侧邺城路及下方给水、雨污水等管线;北侧金沙江西街及下方给水、污水等管线。基坑开挖深度范围内土体工程力学性质较差，变形控制难度较大。土体物理力学参数如表1所示。基坑开挖面以下存在深厚的粉细砂含水层，为承压含水层，地下水较丰富，经验算，大部分区域抗突涌稳定性不满足要求，地下水控制设计的合理性直接影响基坑及环境安全。

　　 首先根据深基坑剖面计算软件计算出每延米土压力，然后建立内支撑二维杆系有限元模型(见图3)，计算分为3步:(1)内支撑在自重下的工况;(2)钢支撑施加预加力的工况;(3)土方开挖工况即土压力和预加力共同作用。边界条件为基坑4个角固定约束，立柱采用弹簧约束。被动土采用设置向坑外的单向被动土弹簧模拟，预加力采用等效温度荷载模拟。有限元计算得到内支撑的轴力、弯矩、剪力、位移等信息。基坑开挖完成后，单根H型钢最大轴力为1 250kN，钢斜撑最大轴力为873kN，钢腰梁最大弯矩为797kN·m，最大剪力为620kN。

　　 根据本基坑工程的特点和周边环境，结合支护方案和相关规范，重点监测钢支撑的轴力和温度、钢支撑挠度、立柱隆沉、桩体水平位移、坑顶位移等。

　　 本监测主要分析钢支撑区域的效果及钢支撑的变化，其监测点布置如图4所示。轴力计布置在钢支撑中部和八字撑中部，共68个轴力计。温度计和轴力计集成一体可实时监测，同时采用手持式红外线测温枪，随机测量温度，与传感器测量温度对比和修正。选取钢支撑中间的1排立柱监测立柱的隆沉。每根钢支撑选取3个特征点监测基坑施工过程中挠度的变化。桩体水平位移采用和桩深相同的测斜管、测斜仪监测。坑顶位移采用电子水准仪监测。

　　 在轴力计安装断面处，每根H型钢在腹板均安装1个轴力计，同时可以监测温度变化。对图3中每根钢支撑进行编号，分别为A,B,C,D,E,F。每根钢支撑有4根H型钢，上层从西往东分别为1,2，下层从西往东分别为3,4。如A1表示编号为A支撑上层西面的单根H型钢，以此类推。八字撑编号与对撑类似，编号为A-8-X,B-8-X等，如A-8-1表示编号为A的这根支撑上层西面的单根H型钢，以此类推。实测H型钢轴力统计如表2所示，可见单根H型钢的轴力随温度和工况的变化而变化，工程中单根H型钢轴力报警值为3 000kN，各根H型钢中，E1出现轴力最大值1 485.6kN，在工程使用的安全范围之内。

　　 由监测分析可知，每根H型钢的变化规律基本一致，以编号为F的钢支撑详细分析温度、工况变化对钢支撑力学性能的影响。轴力随工况、温度的变化如图5所示，图5也反映了各根H型钢轴力的协调程度。

　　 从图5中可以看出，基坑开挖之前施加预加力，各根H型钢轴力均在800kN。随后基坑开挖，基坑开挖至坑底，土压力达到最大工况，土压力传递至腰梁和钢支撑。各根H型钢轴力均有明显的增长，增长100～400kN，达到900～1 200N。然后浇筑底板垫层、绑扎钢筋、浇筑底板等工序。

　　 F1,F2,F3,F4的最大轴力分别为1 268.2,1 058.4,1 363.1,1 176.4kN。与有限元计算的钢支撑最大轴力1 250kN基本相同，各根H型钢的最大轴力均小于承载力极限状态，而且小于轴力报警值3 000kN，满足设计和施工要求。图5中可以看出4根H型钢的受力状态也基本协调一致，共同发挥支撑的作用，不会发生H型钢之间受力差异较大产生的剪力。证实了4根H型钢一体的支撑组合形式安全稳定、受力可靠。

　　 各监测点钢支撑轴力随温度的变化基本一致，钢支撑轴力随温度的变化如图6所示，可以看到基坑开挖完成后，钢材由于受温度影响而膨胀和收缩，钢支撑的轴力随着温度的变化而变化，其变化具有一致性响应，随着温度升高，支撑轴力增大，温度降低，轴力减小，温度对钢支撑轴力的影响为30～50kN/℃。

　　 本体系采用超长轴力补偿系统在千斤顶处油压表显示轴力，人工巡检读数。

　　 编号为F1的H型钢中部、八字撑处轴力和千斤顶处轴力之间的关系如图7所示。千斤顶处轴力和F1中部的轴力基本形同，在支撑长度方向的约束节点轴力无损失。由于八字撑斜撑的传力，土压力经斜撑从腰梁传至主撑杆件，八字撑处轴力略小于F1中部的轴力，斜撑传递至主撑和主撑轴力之和基本等于F1中部的轴力。该组合结构受力简单、传力明确、结构安全可靠。

　　 由图4可知，每根钢支撑上选择3个特征点，监测钢支撑在基坑开挖过程中的挠度。用全站仪测量这些点的三维坐标，多次监测结果比较，确定钢支撑的挠度变化。每组的各根H型钢变化量基本相同，图8为选取每组的1根进行分析。由图8可知，钢支撑各监测点位置，有上升和下降，最大上升量为15mm，最大下降量为7mm，基坑开挖过程中，钢支撑的挠度会发生变化，由压杆稳定计算，构件均在安全的范围之内，微小的扰动和偏心不影响钢支撑的稳定性。

　　 基坑开挖全过程中，监测立柱的隆沉，立柱的变化基本相同，表3选取1排立柱的监测结果分析。由表3可知，立柱在开挖过程中基本都发生了隆起，最大隆起量为20mm，对钢支撑的平整度有微小的扰动，假设支撑在±20mm的包络曲线内，以40mm作为钢支撑构件的偏心距，计算钢支撑的受压稳定，也满足构件稳定性条件。

　　 由监测点布置图可知，cx37,cx47为钢支撑支护区域测斜，cx36为钢支撑与混凝土支撑交界处测斜。cx35为混凝土支撑支护区域测斜，混凝土区域测斜结果基本相同。图9为各测斜孔位移随深度的变化曲线。cx47,cx37,cx36,cx35桩体最大水平位移分别为18.2,18.7,20.5,19.9mm。各监测点监测结果均满足设计和规范的要求，安全可靠。由图9a,b,d可知钢支撑的支护效果略优于混凝土支撑。

　　 由监测点布置图可知，sp6,sp39为钢支撑支护区域坑顶位移。sp5,sp7,sp38,sp40为混凝土支护区域坑顶位移，混凝土区域坑顶位移基本相同。图10为坑顶位移随开挖过程的变化。sp5,sp6,sp7最大水平位移分别为13.4、11.5、15.6mm。sp5,sp6,sp7最大垂直位移分别为6,5.4,6.9mm。sp38,sp39,sp40最大水平位移分别为14.9,14.2,16.1mm。sp38,sp39,sp40最大垂直位移分别为8.2,8.1,6.3mm。坑顶位移满足规范要求。由图10可知钢支撑支护区域坑顶位移略小于混凝土支撑支护区域。钢支撑施加了预应力，有效控制基坑的变形。

　　 通过对南京国际博览中心三期基坑钢支撑进行有限元分析和现场监测，总结其规律，可得到以下结论。

　　 1)双拼双层钢支撑体系受力简单、传力明确、安全可靠。基坑开挖至坑底的过程中支撑轴力增加100～400kN，有限元计算的支撑轴力和监测结果一致。工况稳定后，钢支撑轴力随着温度的变化为30～50kN/℃。4根H型钢受力均匀协调，组合体发挥支撑作用，超长钢支撑轴力无损失。

　　 2)钢支撑在微小扰动情况下出现偏心受压，施工精度和质量控制到位，在偏心允许的范围内，不会影响钢支撑体系的安全。

　　 3)桩体水平位移和坑顶位移监测表明，该钢支撑体系的支护效果略优于混凝土支撑，均在设计和规范允许的范围内。

　　 4)新型钢支撑体系可为基坑支护提供更多的选择。