本文以地鐵市政項(xiàng)目工程為例，探索采用輕鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行全封閉式明挖基坑施工的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。北京地鐵12號(hào)線三元橋站是北京首批進(jìn)行全封閉式明挖施工作業(yè)的試點(diǎn)工程，該車站位于北京東北三環(huán)核心地帶，周邊為商務(wù)辦公群，對(duì)環(huán)境要求高。

三元橋站為明挖地鐵車站，結(jié)構(gòu)全長240?m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.5?m，埋深26~28?m。為提升綠色文明形象，促進(jìn)市政地鐵行業(yè)綠色施工標(biāo)準(zhǔn)化，采用輕型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行全封閉施工。輕型鋼結(jié)構(gòu)罩棚全場309?m，跨度由44.1?m向46.8?m漸變，總面積約14?000?m2（圖1、圖2）。

圖1??北京地鐵12號(hào)線三元橋站施工罩棚平面示意

圖2??車站罩棚模型

2.輕型鋼結(jié)構(gòu)罩棚的可行性分析

輕型鋼結(jié)構(gòu)除需滿足本工程占地面積大、跨度大及各項(xiàng)施工要求，更要保證結(jié)構(gòu)安全，具備抗風(fēng)抗雪載的良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通常大跨度鋼結(jié)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)或網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式，而作為臨時(shí)建筑設(shè)施，需綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)的合理性。

罩棚主體采用裝配式新型輕弦鋼型結(jié)構(gòu)，由53榀門式鋼骨架組成。鋼架橫梁下弦增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，使結(jié)構(gòu)頂部形成自平衡體系，以減小水平推力。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是在豎向荷載作用下，可進(jìn)一步減小梁端彎矩，優(yōu)化梁柱截面，并充分利用預(yù)應(yīng)力鋼絞線高強(qiáng)抗拉的特點(diǎn)減少鋼結(jié)構(gòu)用量。

為驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的可靠性，本文以最大跨度（46.8?m）為例，采用midas GEN對(duì)單榀結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2.1??計(jì)算參數(shù)

（1）設(shè)計(jì)使用年限：3年。

（2）荷載取值：永久荷載（膜材+檁條，不包括結(jié)構(gòu)自重）0.20?kN/m2；可變荷載0.30?kN/m2；基本風(fēng)壓（R=10）：0.30?kN/m2；基本雪壓（R=10）：0.25?kN/m2；不考慮地震作用。

2.2??計(jì)算工況

工況統(tǒng)計(jì)見表1。

表1??工況統(tǒng)計(jì)

以工況3為例，分析單榀結(jié)構(gòu)在不同工況下的結(jié)構(gòu)受力變形（圖3）。

（a）

（b）

（c）

圖3??單榀結(jié)構(gòu)受力云圖（計(jì)算機(jī)截圖）

（a）結(jié)構(gòu)軸力圖；（b）結(jié)構(gòu)彎矩圖；（c）結(jié)構(gòu)剪力圖

1.0永久荷載+1.0風(fēng)工況下，拉索索力為143.9?kN；斜梁最大軸力為–139.7?kN，最大彎矩為316.8?kN·m；柱最大軸力為–45.7?kN，最大軸力為–18.6?kN，最大彎矩為–316.8?kN·m。

1.0永久荷載+1.0風(fēng)工況下，結(jié)構(gòu)最大豎向位移為88.2?mm（向上）；最大水平位移為142.0?mm<h/60（H為罩棚高度），滿足規(guī)范要求（圖4、表2、表3）。

圖4??單榀結(jié)構(gòu)位移云圖（計(jì)算機(jī)截圖）

（a）豎向位移；（b）水平位移

表2??立柱工況計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表3??斜梁及錨索工況計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)4種工況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，輕型張弦鋼結(jié)構(gòu)滿足各種環(huán)境條件下的技術(shù)要求，在最不利工況（工況4）下，最大水平位移167.5?mm，根據(jù)GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》對(duì)柱頂位移限值的要求，無吊車鋼結(jié)構(gòu)柱頂限值滿足h/60（h為柱高）的要求。

3.應(yīng)用效果

圖5為全封閉式輕型結(jié)構(gòu)罩棚應(yīng)用情況。對(duì)比現(xiàn)有罩棚結(jié)構(gòu)形式與試點(diǎn)工程采用的輕型張弦鋼結(jié)構(gòu)，分析兩種結(jié)構(gòu)形式的用鋼量、噪聲及光照條件。對(duì)比結(jié)果表明，采用輕型張弦結(jié)構(gòu)單位面積用鋼量為0.075?t/m2，僅為傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)形式的42.8%，且光照、隔聲效果明顯（表4）。

（a）

（b）

圖5??全封閉式輕型結(jié)構(gòu)罩棚實(shí)際效果

（a）罩棚外形；（b）罩棚內(nèi)部

表4??不同形式鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

試點(diǎn)工程使用輕型張弦鋼結(jié)構(gòu)后，有效地改善了施工作業(yè)環(huán)境，尤其在冬期施工期間，封閉罩棚內(nèi)的溫度可比室外高5~8℃，為冬期混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)提供了良好條件。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，自罩棚建造完成后，考慮下雨、大風(fēng)、降雪、霧霾及政治活動(dòng)等影響，共為基坑工程施工節(jié)約工期62?d。

4.結(jié)束語

（1）分析輕型張弦鋼結(jié)構(gòu)罩棚設(shè)計(jì)4種不同工況的穩(wěn)定性，在最不利工況下，柱頂最大水平位移為167.5?mm，滿足規(guī)范要求；用鋼量僅為傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)形式的42%，且社會(huì)效果明顯，具有推廣使用價(jià)值。

（2）考慮到地鐵車站工程建設(shè)周期一般為3~5年，而制作輕型張弦鋼結(jié)構(gòu)罩棚一次性投入較大，且因不同工程差異較大，故暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)輕型張弦鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化和模數(shù)化，若今后能統(tǒng)籌相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的周轉(zhuǎn)使用，更可大幅減少投入成本，有利于綠色文明施工水平的整體提升。