小跨度防尘天幕的设计与应用

1?工程概况

项目基坑尺寸约115.3?m×62.6?m，基坑净深10.72~12.22?m，支护形式为挡土墙+桩锚支护体系。防尘天幕网面积6?800?m2。基坑特点是东西跨度大于100?m，南北跨度约62?m，由于东西向的基坑边缘不在一条水平线，南北方向边缘较为顺直，故考虑天幕开合方向是南北开合（图1）。

   

图1?天幕开合方向示意

本工程地处西城核心区繁华地段，基坑距离居民楼仅10?m，如何降低施工中造成的各项污染，满足绿色施工要求是重中之重。土方开挖阶段会产生大量的扬尘，对环境造成影响，传统的裸土绿网覆盖方法效率低，需要大量的劳动力铺设密目覆盖网；而且传统防尘密目网暴晒易疲劳损坏，耐久性差，不易捡拾，因此人力及覆盖网投入成本高，且损坏后的防尘网易引起土壤污染问题。寻找一种高效新型的扬尘治理手段迫在眉睫，基于此项目决定采用防尘天幕进行扬尘治理，并在施工过程中总结出一套完整的防尘天幕施工方法。

2?防尘天幕支撑设计

2.1?天幕钢立柱支撑设计

天幕主要由4部分组成，钢立柱、钢丝绳、防尘网、传动装置。主要需根据现场基坑特点考虑钢立柱支撑的布置。本工程基坑开挖深度约12?m，在防尘天幕下方施工作业需考虑挖掘机臂装车高度，按10?m考虑，为尽快能使用上防尘天幕，将天幕钢立柱高度设计为6?m高，坡道出入口位置钢立柱需加高设计，以此在基坑开挖4?m深度时，即可将防尘天幕投入使用。本工程防尘天幕钢立柱支撑（主龙骨）采用300?mm×200?mm×6?mm镀锌方管，横梁（次龙骨）采用200?mm×200?mm×5?mm、100?mm× 100?mm×5?mm、80?mm×40?mm×4?mm镀锌方管，钢立柱根部与冠梁内的预埋件焊接固定。如图2所示。

   

图2?钢立柱支撑单元立面示意

2.2?天幕钢立柱基础设计

2.2.1?钢立柱预埋件设计

钢立柱的基础通常均设置在冠梁及护坡桩上，在大跨度基坑使用防尘天幕时，通常使用工字钢作为钢立柱支撑，因为天幕的水平力标准值较大，对钢立柱基础抵抗水平力的要求高，因此钢立柱需下插至护坡桩内，在浇筑护坡桩前需把钢立柱支设到位，而后一并浇筑。在小跨度基坑使用防尘天幕时，天幕产生的水平力较小，仅需在冠梁内设置埋件，而后与钢立柱焊接即可满足受力。在冠梁内设置埋件的优势主要是在护坡桩施工时无需考虑吊装钢立柱，节省成本、节省工期。在本工程的应用中，冠梁埋件设计为 L 90×90×8?角钢组合焊接成矩形埋件，如图3所示。

   

（a）                         （b）

图3?钢立柱预埋件示意

（a）埋件底部截面示意；（b）埋件立面示意

2.2.2?钢立柱预埋件焊缝强度计算

预埋件角钢尺寸为90?mm×90?mm×8?mm，钢立柱尺寸为300?mm×200?mm×6?mm。钢立柱与埋件位置如图4所示。

   

（a）                         （b）

图4?钢立柱与埋件位置示意

（a）平面；（b）立面

根据GB?50661—2011《钢结构焊接规范》：搭接角焊缝最大焊脚尺寸，当板厚大于6?mm时，应为母材厚度减去1~2?mm，角钢厚度为8?mm，故最大焊脚尺寸按6?mm考虑， h _f =6?mm。焊缝计算厚度 h _e =0.7? h _f ，所以计算厚度 h _e =4.2?mm。钢立柱水平力标准值为16?kN，焊接节点剪力 τ _f 按最大值考虑，取16?kN，经力矩平衡计算，焊接节点一侧受拉 N =320?kN。焊缝的强度设计值见表1。

                     表1?焊缝的强度设计值             N/mm2

   

3?天幕防尘网及传动装置设计

本工程中的防尘天幕主要由基础、支撑系统、网布单元、传动部件、控制系统等组成。

3.1?防尘天幕主要参数

3.1.1?网布单元

（1）网布材质为聚乙烯，采用2~3针圆扁丝结合工艺，规格为宽4?m，性能为耐久2年、阻燃4?s离火自熄。（2）横杆为 DN 20 PVC/PPR管、 DN 20镀锌钢管、不锈钢管。（3）卡扣为尼龙材质。（4）扎带采用塑料扎带、金属扎带。（5）吊挂滑轮为带3?mm外折边的带轴承双滑轮，轮体材质为不锈钢/高强橡胶。（6）采用装配式镀锌管/轻钢C形钢装配。

3.1.2?传动部件

（1）滑轮组件。

1）承重轮构件：采用带轴承带底座的直径80?mm金属/高强尼龙承重滑轮；将承重滑轮焊接在可快拆口字型折弯抱箍；抱箍为宽50?mm、厚5~10?mm的钢板。

2）传动轮构件：采用带轴承带底座的直径120?mm金属/高强尼龙承重滑轮；将承重滑轮焊接在可快拆的口字形折弯抱箍。

3）驱动轮构件：由高强尼龙驱动轮、摩擦橡胶 胎、驱动轮毂、双面加强钢板、键槽轴、端头垫片、端头固定卡簧、对穿螺杆、螺杆螺母等零星构件组成的驱动轮组件单元。高强尼龙驱动轮 ?300?mm或传动钢丝绳直径的60倍。

4）调节轮构件：用于调节传动轮与驱动轮之间行程的构件，现场采用直径80?mm左右带底座带轴承的金属或尼龙轮。此构件需在现场焊接。

（2）钢丝绳。

1）承重钢丝绳：目前采用8NAT6×7S+D1770ZS直径8?mm，光圆、抗拉强度1?770?MPa、右交互捻。

2）传动钢丝绳：目前采用4NAT4×7S+D1770ZS直径6?mm，光圆、抗拉强度1?770?MPa、右交互捻。

3）附属用绳及配件：副绳与承重钢丝绳一样；网布单元捆绑绳采用尼龙绳；卸扣、套环、鸡型环、钢丝绳接头、钢丝绳卡等参照规范。

3.1.3?控制系统

控制系统主要包括：电机（1.1?kW，2?840?rpm）、 减速器、遥控装置、断路器、控制箱体（500?mm× 800?mm×200?mm，防雨）、弱电控制等。

3.2?防尘天幕工作原理

将钢架、承力钢丝绳、幕布、传动部分在基坑冠梁上组合成完整的天幕系统。通过电气控制系统，幕布在牵引绳的拉动下，可沿着承力钢绳进行拉伸和折叠，实现了天幕开启和关闭。

天幕采用单元式布置，沿基坑短方向，4.1?m宽作为一个单元，每单元设3道主轨道索，间距 0.2?m、1.8?m、1.8?m、0.2?m布置，主索为直径8?mm钢丝绳，传动绳为直径4?mm钢丝绳；每单元中间设一道牵引索，沿单元中间布置，天幕网的开合单向牵引开合方式，即天幕开启时，天幕网从单元南端同步往北侧滑动；防尘网闭合时，天幕网从单元北端同步往南侧滑动，避免荷载集中，缩短开闭时间。为提高抑尘效果，在每个防尘网单元间留100?mm间隙。

3.3?有限元模型

利用有限元软件MIDAS，根据方案对钢结构进行分组计算分析。风荷载和雪荷载综合考虑为1.05倍自重和1.3倍静荷载。钢丝绳拉力为287?kg，取373?kg，即3.73?kN。显然，当天幕收缩时为不利工 况，故对天幕收缩时进行建模分析。

3.3.1?荷载

计算分析时，具体需考虑荷载组合 γ _G =1.3， γ _Q =1.5， F = γ _G G _K + γ _Q Q _K +0.6 γ _Q W _K 。

3.3.2?计算结果

（1）天幕收缩阶段受力与变形分析。通过有限元软件分析，立柱和横杆杆件应力最大值绝对值为57.87?N/mm2，小于215?N/mm2，杆件变形为1.56?mm，小于13.3?mm，均小于规范限值，满足规范要求。

（2）安装阶段稳定性分析。通常在齐次边界条件下，弹性结构的线性稳定问题可以化归为求解临界荷载因子 η 。临界荷载因子 η 的力学意义就是在小于当前荷载 η 倍的时候结构的稳定性不破坏，当 η 为负值时意味着如若施加反向荷载结构的屈曲情况。因此，工程上通常要求 η >1以保证结构的安全性。 经计算，结构稳定安全。

4?施工工艺流程及操作要点

施工工艺流程：钢结构支架施工→电源电气控制布线→横梁定位划线→安装承重滑轮部件→安装传动滑轮部件→安装固定端装配部件→仓库整理天网网单元（吊挂滑轮、横杆、扎带、桁架、网布完好）→全部天网放置配重端地面→承重绳对号开卷→承重绳从定滑轮反穿过横梁→承重绳穿吊挂滑轮及钥匙扣→承重绳两端头安装D形卸扣→连接配重框→安装传动钢丝绳→利用传动绳将承重绳拉到另一侧→牵引绳穿过马鞍定滑轮→牵引绳用钩住D形卸扣→牵引绳张拉→D形卸扣与固定端长螺栓圆孔插销连接→牵引绳脱钩→桁架与传动绳连接→移动至固定端→两端与横梁固定→限位安装→整体调试。

4.1?钢支撑架安装

钢架柱用材为300?mm×200?mm×6?mm镀锌方 管，钢架梁用材为200?mm×200?mm×5?mm、100?mm× 100?mm×5?mm、80?mm×40?mm×4?mm镀锌方管，间 距不大于4.1?m，钢梁支设时均应按跨度的3?‰起拱。利用有限元软件MIDAS，根据方案将钢结构进行分组计算分析。钢立柱底座采用预留埋件与基坑冠梁进行锚固，每个立柱4根角钢90×8做埋件，下部锚固进冠梁深度550?mm，预埋件下部采用 L? 90×90×8电焊到冠梁钢筋上，保证埋件水平埋置，上部露出300?mm与钢立柱焊接满焊。

4.2?防尘天幕安装

4.2.1?轨道安装

安装前应按构件明细表核对进场构件，查验产品合格证和设计文件；并对构件进行全面检查，包括外形尺寸、连接件数量及质量、焊缝、摩擦面、防腐涂层等进行检查，对构件的变形、缺陷、不合格处，应对地面进行矫正、修整、处理，合格后方可安装。

4.2.2?焊接轨道

采用焊接形式安装轨道。安装程序：拼装成整体→检验→与钢柱顶部连接并固定。通过汽车式起重机吊装作业将钢架梁按要求安装在立柱上，人工通过登高作业车升高，按照相关规定并进行可靠的焊接。轨道工字钢由汽车式起重机起吊到焊机位置后再焊接。起吊方钢一定要保证平稳起吊，在工字钢两头系挂绳索牵引方钢摆动，防止起吊中碰撞立柱造成事故。

4.2.3?防尘天幕组装

防尘天幕由防尘网、滑轮、钢丝绳、驱动电机 组、控制柜组成。防尘网为100?g，2?800目加密定制防尘网。电机带动活动钢丝绳传动滑轮控制防尘网开合。钢丝绳因刚度小，易产生弯扭变形，安装时应尽可能保证钢丝绳张拉紧固。钢丝绳在绕行驱动轮和尾轮时，在离轮边不大于2?m处，必须设置托压绳轮，以保证钢丝绳平稳运行；安装前，应测量实际所需钢丝绳长度；放钢丝绳时，必须保证不让钢丝绳发生扭曲变形，更不能让钢丝绳呈螺旋状扭转；如钢丝绳长度不够需搭接，搭接前必须将钢丝绳预张拉，确定钢丝绳实际所需长度，采用长接法，搭接度为钢丝绳直径的1?000~1?200倍。

5?结束语

菜园街及枣林南里棚户区改造项目基坑工程防尘天幕跨度62?m，为满足绿色施工要求，进行扬尘控制、污染源控制，同时又为提高施工效率，设计了本套防尘天幕系统，明确了设计思想及施工注意事项，总结形成了一套完整的基坑阶段防尘天幕施工工艺，可为今后类似基坑工程的防尘天幕施工提供借鉴。