CN114941334B - 一种可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统 - Google Patents

一种可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统,通过采用控制系统、用于实时测量基坑围护结构水平变形的传感器、型钢混凝土组合支撑、若干钢立柱以及轴力补偿装置,型钢混凝土组合支撑包括一混凝土支撑段和两预制型钢段,混凝土支撑段的两端分别通过插销式刚性连接件与预制型钢段的一端连接,预制型钢段的另一端与围护结构之间设置轴力补偿装置,控制系统根据传感器监测到的围护结构的变形情况通过控制对应的轴力补偿装置主动控制围护结构的变形,实现对基坑变形的实时、主动控制,解决了传统混凝土支撑费工费时,围护结构无支撑约束变形时间长,无法进行主动控制等问题,还解决了传统钢支撑体系存在支撑刚度小,挖土效率低等问题。

Description

一种可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统
技术领域
本发明属于岩土工程领域,主要为基坑开挖过程中的一种支护结构,具体涉及一种可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统。
背景技术
基坑工程时空效应理论是指在基坑施工中科学利用土地自身的控制地层位移的潜力,以解决软土深基坑稳定和变形问题的一整套设计、计算方法和施工工艺。基坑工程时空效应理论及施工工艺能有效地控制基坑变形,保护周围建筑物、地下管线、邻近隧道等的安全,尤其是在软土深大基坑施工中发挥了重要的作用。
应用基坑工程时空效应理论,基坑施工一般按分层、分步、对称、平衡的原则开挖与支撑,最主要的施工参数包括分层开挖的层数、每层开挖深度,以及每层开挖中基坑挡墙被动区土体幵挖后、挡墙未支撑前的暴露时间和暴露的宽度及高度。其中,挡墙未支撑前的暴露时间和暴露的宽度及高度对基坑变形起到关键性作用。因此,如何选择合理的支撑结构,科学的施工工艺,有效的监控手段,充分应用基坑工程时空效应,缩短挡墙未支撑前的暴露时间和暴露的宽度及高度是基坑工程主要解决的问题。
现有技术中基坑混凝土支撑的一般施工工艺如下:基坑降水,土方开挖,浇筑垫层,设置隔离层,钢筋绑扎,模板安装,直到完成砼浇筑,并进入下施工段支撑施工。此种方法,费工费时,需等待混凝土养护至设计强度,做不到随挖随撑,挡墙无支撑约束变形时间长,无法进行伺服千斤顶主动控制,不利于控制基坑开挖对周边环境的影响。
现有技术中基坑钢支撑的一般施工工艺如下:土方开挖、测量定位、结构找平、安装围檩、支撑吊装、安装钢支撑、施加预应力等步骤。此种方法,安装、拆除方便,施工速度快,可重复利用,可通过千斤顶施加预压力,实时监控并调节支撑力,但目前钢支撑体系一般适用于宽度不大于20m的窄条型基坑,钢支撑间距一般不大于3m,存在支撑刚度小,挖土效率低,一次性投入成本高等缺点,不利于超大型深基坑围护结构微变形控制。
发明内容
本发明的目的,是提供一种可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统,决了传统混凝土支撑费工费时,做不到随挖随撑,挡墙无支撑约束变形时间长,无法进行主动控制等问题,还解决了传统钢支撑体系一般适用于宽度不大于20m的窄条型基坑,钢支撑间距一般不大于3m,存在支撑刚度小,挖土效率低,传统钢支撑一次性投入成本高,支撑刚度小、整体性不强等问题。
为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:
一种可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统,包括控制系统、用于实时测量基坑围护结构水平变形的传感器、型钢混凝土组合支撑、若干钢立柱以及轴力补偿装置,所述轴力补偿装置以及传感器分别与所述控制系统连接,所述型钢混凝土组合支撑包括一混凝土支撑段和两预制型钢段,所述混凝土支撑段的两端分别通过插销式刚性连接件与预制型钢段的一端连接,所述预制型钢段的另一端与围护结构之间设置轴力补偿装置,所述若干钢立柱间隔设置于型钢混凝土组合支撑上,所述混凝土支撑段浇筑于对应钢立柱的外侧,预制型钢段上开设供对应钢立柱穿越的通孔,预制型钢段与对应的钢立柱之间固定连接,所述控制系统根据传感器监测到的围护结构的变形情况通过控制对应的轴力补偿装置主动控制围护结构的变形。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述预制型钢段包括主干段以及三个端头段,所述主干段的一端呈长条状并与混凝土支撑段的一端同轴连接,所述主干段的另一端具有三个分支段,分别为一中间段和两斜向段,位于中间的中间段与所述混凝土支撑段同轴设置,两斜向段对称设置于中间段的中心轴的两侧,三个分支段的外侧端分别与对应的端头段的一端同轴连接,端头段的另一端与围护结构之间分别设置对应的轴力补偿装置。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述轴力补偿装置包括支座箱、若干限位套筒、若干限位杆、第一连接垫板、第二连接垫板以及液压千斤顶,所述第一连接垫板与第二连接垫板均竖向设置,所述第一连接垫板与围护结构或者围护结构内侧的围檩固定连接,所述第二连接垫板与预制型钢段固定连接,所述限位杆的一端固定连接与第一连接垫板上,所述限位杆水平设置,所述支座箱内部固定设有供对应的限位杆伸入的限位套筒,所述液压千斤顶设置于支座箱的内部,所述若干限位套筒均匀绕设于液压千斤顶的四周,所述支座箱上面对预制型钢段的一侧设置竖向端板,所述液压千斤顶的底座垂直安装于所述竖向端板上,所述液压千斤顶的伸缩端抵在第一连接垫板上。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述围护结构的内侧设置围檩,且所述围檩对应预制型钢段处的下方设置围檩托板,围檩以及围檩托板的外侧面分别与围护结构固定连接,所述围檩上远离围护结构的一侧对应预制型钢段处设置凹槽,所述凹槽面向对应的预制型钢段侧开口且向上开口,凹槽的底面上铺设一滑移层,预制型钢段的一端伸入凹槽内并位于滑移层上,所述滑移层上靠围檩处设置一水平搁板,所述搁板的一端与围檩固定连接,所述轴力补偿装置设置于搁板上,所述轴力补偿装置包括支座箱以及液压千斤顶,液压千斤顶设置于支座箱内,在支座箱两侧对称设置用于保证液压千斤顶中心轴与预制型钢段中心轴同轴的支座限位块,在搁板上设置一后靠钢板,所述后靠钢板竖向贴合设置于围檩上远离围护结构的一侧。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述支座箱包括底板、两侧板、支座钢板、以及盖板,所述两侧板的底部分别设置于所述底板的左右两侧,所述支座钢板设置于所述底板上,所述液压千斤顶设置于所述支座钢板上,所述支座钢板的上部设有一弧形槽,所述弧形槽与所述液压千斤顶的外轮廓相匹配的,所述盖板可拆卸式设置于两侧板的上部。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述预制型钢段靠近混凝土支撑段的端部以及所述混凝土支撑段的两端分别设置有端面钢板,所述插销式刚性连接件包括插销轴以及卡簧,所述插销轴设置于预制型钢段的端面钢板上,所述卡簧设置于混凝土支撑段的端面钢板上,通过采用由插销轴以及卡簧组成的刚性连接件可以实现两段的快速连接,并具备传递轴力,抵抗一定弯矩、剪力的作用。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述钢立柱与预制型钢段通过轴力转换构件连接,所述预制型钢段与钢立柱的连接处分段设置,形成两个相邻节段,相邻节段的对接端分别设置法兰,所述轴力转换构件包括环绕于钢立柱周围的方形钢环、两块支撑板以及两根限位螺杆,所述方形钢环包括两块U型钢板,两块U型钢板通过连接钢板连接形成供钢立柱穿越的通孔,所述支撑板上固定套设于钢立柱的外侧,两块支撑板之间通过两根限位螺杆连接,所述方形钢环夹设于两块支撑板之间,所述方形钢环上开设螺栓孔,相邻节段上的法兰分别通过螺栓连接于方形钢环的两侧,所述钢立柱与支撑板之间设置加劲肋。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述控制系统根据传感器监测到的围护结构的变形情况通过控制对应的轴力补偿装置主动控制围护结构的变形,所述控制系统包括:
识别基坑变形异常点以及计算集中补偿轴力模块,用于当传感器监测到某一处围护结构的水平位移达到预警值,作为基坑变形异常点,首先通过基坑维护结构的有限元模型,计算消除该水平变形所需要的集中补偿轴力Ftarget
划定作用千斤顶群范围模块,用于以基坑变形异常点最近的支撑周围一定距离范围内所有支撑的千斤顶,作为下一步轴力补偿控制的千斤顶群;
补偿轴力的分配模块,用于将所述集中补偿轴力Ftarget按照以下方法进行分配:首先计算千斤顶群中,每一个千斤顶到基坑变形异常点的距离并按照从小到大依次排列,并根据距离划分为若干组,确定每一组千斤顶的补偿轴力的分配比例;同一组内千斤顶平均承担该组分配的补偿轴力;
轴力安全校核模块,用于根据轴力监测系统采集的支撑轴力数据,确定每一组千斤顶中的最大轴力监测值;判断施加分配的补偿轴力后,该支撑是否达到最大允许轴力值;如果该支撑是否达到最大允许轴力值,按照调整机制重新进行补偿轴力的分配,直到其满足最大允许轴力值条件;
轴力补偿模块,用于根据轴力安全校核模块确定的千斤顶群轴力分配方案,对千斤顶群的每个千斤顶进行控制,从而在较大范围均匀施加轴力补偿,降低围护结构的不良集中受力状态。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述补偿轴力的分配模块采用如下方式进行分配:
假设支撑K0为距离基坑变形异常点最近的中心支撑,数量为Ninner,支撑K1~K8为距离中心支撑最近的相邻支撑,数量为Nouter,假设Ki支撑上已施加轴力为Fi;中心支撑补偿轴力与相邻支撑补偿轴力分配比为0.7:0.3,则Ki支撑上补偿轴力为:
其中,i=0或1或2或3或4或5或6或7或8;当i=0时,Ninner=1,当i=1或2或3或4或5或6或7或8时,Nouter=i。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述按照调整机制重新进行补偿轴力的分配采用如下方式:如果第Kj支撑已经达到最大允许轴力值Fj_max,按照以下调整机制重新进行补偿轴力的分配:
当i=j=0,则第Ki支撑轴力补偿为:
当i=j≠0,则支撑补偿轴力为
ΔFj=Fj_max-Fj i=j
其中,j=0或1或2或3或4或5或6或7或8。
由以上公开的技术方案可知,与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
本发明提供的一种可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统,通过采用控制系统、用于实时测量基坑围护结构水平变形的传感器、型钢混凝土组合支撑、若干钢立柱以及轴力补偿装置,所述轴力补偿装置以及传感器分别与所述控制系统连接,所述型钢混凝土组合支撑包括一混凝土支撑段和两预制型钢段,所述混凝土支撑段的两端分别通过插销式刚性连接件与预制型钢段的一端连接,从而可以使得混凝土支撑段与两侧的预制型钢段快速形成整体传力体系,所述预制型钢段的另一端与围护结构之间设置轴力补偿装置,所述若干钢立柱间隔设置于型钢混凝土组合支撑上,所述混凝土支撑段浇筑于对应钢立柱的外侧,预制型钢段上开设供对应钢立柱穿越的通孔,预制型钢段与对应的钢立柱之间固定连接,所述控制系统根据传感器监测到的围护结构的变形情况通过控制对应的轴力补偿装置主动控制围护结构的变形,实现对基坑变形的实时、主动控制,解决了传统混凝土支撑费工费时,做不到随挖随撑,围护结构无支撑约束变形时间长,无法进行主动控制等问题,还解决了传统钢支撑体系一般适用于宽度不大于20m的窄条型基坑,钢支撑间距一般不大于3m,存在支撑刚度小,挖土效率低,传统钢支撑一次性投入成本高,支撑刚度小、整体性不强等问题。
附图说明
图1是一种可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统的结构示意图。
图2是本发明实施例一种轴力补偿装置的结构示意图。
图3是图2的a-a剖视图。
图4是图3的b-b剖视图.
图5是插销式刚性连接件的结构示意图。
图6是轴力转换构件的结构示意图(俯视图)。
图7是图6的c-c剖视图。
图8是轴力转换构件的立体结构示意图.
图9是方形钢环的结构示意图.
图10是作用千斤顶群的分布示意图。
图11是可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统的施工方法中步骤1时的结构示意图。
图12是可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统的施工方法中步骤2时的结构示意图。
图13是可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统的施工方法中步骤3时的结构示意图。
图14是可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统的施工方法中步骤6时的结构示意图。
图15是本发明实施例二中轴力补偿装置的立面布置示意图。
图16是本发明实施例二中轴力补偿装置的平面布置示意图。
图17是本发明实施例二支座箱的结构示意图(图17是图15的d-d剖视图)。
图中:1-混凝土支撑段、2-预制型钢段、2.1-主干段、2.1.1-中间段、2.1.2-斜向段、2.2-端头段、3-轴力补偿装置、3.1-液压千斤顶、3.2-支座箱、3.3-限位套筒,3.4-限位杆、3.5-第一连接垫板、3.6-第二连接垫板、3.7-竖向端板、4为围檩、5-围护结构、6-端面钢板、7-插销轴、8-卡簧、9-钢立柱、10-方形钢环、10.1-U型钢、10.2-螺栓孔、11-支撑板,12-加劲肋、13-限位螺杆、14-连接钢板、15-滑移层、16-搁板、17-后靠钢板、18-围檩托板、19-限位块、3.2’-支座箱、3.2.1’-底板、3.2.2’-侧板、3.2.3’-支座钢板、3.2.4’-盖板、3.2.5’-加劲板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。以下将由所列举之实施例结合附图,详细说明本发明的技术内容及特征。需另外说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便,下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致,但这不能成为本发明技术方案的限制。
请参阅图1至图17,本实施例公开了一种可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统,包括控制系统(未图示)、用于实时测量基坑围护结构5水平变形的传感器(未图示)、型钢混凝土组合支撑、若干钢立柱9以及轴力补偿装置3,所述轴力补偿装置3以及传感器分别与所述控制系统连接,所述型钢混凝土组合支撑包括一混凝土支撑段1和两预制型钢段2,所述混凝土支撑段1的两端分别通过插销式刚性连接件与预制型钢段2的一端连接,所述预制型钢段2的另一端与围护结构5之间设置轴力补偿装置3,所述若干钢立柱9间隔设置于型钢混凝土组合支撑上,所述混凝土支撑段1浇筑于对应钢立柱9的外侧,预制型钢段2上开设供对应钢立柱9穿越的通孔,预制型钢段2与对应的钢立柱9之间固定连接,所述控制系统根据传感器监测到的围护结构5的变形情况通过控制对应的轴力补偿装置3主动控制围护结构5的变形。
本发明提供的一种可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统,通过采用控制系统、用于实时测量基坑围护结构5水平变形的传感器、型钢混凝土组合支撑、若干钢立柱9以及轴力补偿装置3,所述轴力补偿装置3以及传感器分别与所述控制系统连接,所述型钢混凝土组合支撑包括一混凝土支撑段1和两预制型钢段2,所述混凝土支撑段1的两端分别通过插销式刚性连接件与预制型钢段2的一端连接,从而可以使得混凝土支撑段1与两侧的预制型钢段2快速形成整体传力体系,所述预制型钢段2的另一端与围护结构5之间设置轴力补偿装置3,所述若干钢立柱9间隔设置于型钢混凝土组合支撑上,所述混凝土支撑段1浇筑于对应钢立柱9的外侧,预制型钢段2上开设供对应钢立柱9穿越的通孔,预制型钢段2与对应的钢立柱9之间固定连接,所述控制系统根据传感器监测到的围护结构5的变形情况通过控制对应的轴力补偿装置3主动控制围护结构5的变形,实现对基坑变形的实时、主动控制,解决了传统混凝土支撑费工费时,做不到随挖随撑,围护结构5无支撑约束变形时间长,无法进行主动控制等问题,还解决了传统钢支撑体系一般适用于宽度不大于20m的窄条型基坑,钢支撑间距一般不大于3m,存在支撑刚度小,挖土效率低,传统钢支撑一次性投入成本高,支撑刚度小、整体性不强等问题。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述轴力补偿装置3包括支座箱3.2、若干限位套筒3.3、若干限位杆3.4、第一连接垫板3.5、第二连接垫板3.6以及液压千斤顶3.1,所述第一连接垫板3.5与第二连接垫板3.6均竖向设置,所述第一连接垫板3.5与围护结构5或者围护结构5内侧的围檩4固定连接,所述第二连接垫板3.6与预制型钢段2固定连接,所述限位杆3.4的一端固定连接与第一连接垫板3.5上,所述限位杆3.4水平设置,所述支座箱3.2内部固定设有供对应的限位杆3.4伸入的限位套筒3.3,所述液压千斤顶3.1设置于支座箱3.2的内部,所述若干限位套筒3.3均匀绕设于液压千斤顶3.1的四周,所述支座箱3.2上面对预制型钢段2的一侧设置竖向端板3.7,所述液压千斤顶3.1的底座垂直安装于所述竖向端板3.7上,所述液压千斤顶3.1的伸缩端抵在第一连接垫板3.5上。通过采用上述结构,不但可以实现围檩4的可靠连接,而且通过限位套筒3.3对限位杆3.4的导向定位作用,可以使得液压千斤顶3.1始终垂直于围护结构5,使得两者的传力更加明确直接。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述预制型钢段2靠近混凝土支撑段1的端部以及所述混凝土支撑段1的两端分别设置有端面钢板6,所述插销式刚性连接件包括插销轴7以及卡簧8,所述插销轴7设置于预制型钢段2的端面钢板6上,所述卡簧8设置于混凝土支撑段1的端面钢板6上,通过采用由插销轴7以及卡簧8组成的刚性连接件可以实现预制型钢段2与混凝土支撑段1之间的快速连接,并具备传递轴力,抵抗一定弯矩、剪力的作用。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述钢立柱9与预制型钢段2通过轴力转换构件连接,所述预制型钢段2与钢立柱9的连接处分段设置,形成两个相邻节段,相邻节段的对接端分别设置法兰,所述轴力转换构件包括环绕于钢立柱9周围的方形钢环10、两块支撑板11以及两根限位螺杆13,所述方形钢环10包括两块U型钢板10.1,两块U型钢板10.1通过连接钢板14连接形成供钢立柱9穿越的通孔,所述支撑板11上固定套设于钢立柱9的外侧,两块支撑板11之间通过两根限位螺杆13连接,所述方形钢环10夹设于两块支撑板11之间,所述方形钢环10上开设螺栓孔10.2,相邻节段上的法兰分别通过螺栓连接于方形钢环10的两侧,所述钢立柱9与支撑板11之间设置加劲肋12。采用上述结构,不但可以实现钢立柱9与预制型钢段2的可靠连接,而且可以保证钢立柱9与预制型钢段2之间的垂直度,保证两者之间有效传力。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述控制系统根据传感器监测到的围护结构的变形情况通过控制对应的轴力补偿装置主动控制围护结构的变形,控制系统包括识别基坑变形异常点以及计算集中补偿轴力模块、划定作用千斤顶群范围模块、补偿轴力的分配模块、补偿轴力的分配模块、轴力安全校核模块以及轴力补偿模块,识别基坑变形异常点以及计算集中补偿轴力模块、划定作用千斤顶群范围模块、补偿轴力的分配模块、补偿轴力的分配模块、轴力安全校核模块以及轴力补偿模块之间通讯连接。
识别基坑变形异常点以及计算集中补偿轴力模块,用于当传感器监测到某一处围护结构的水平位移达到预警值,作为基坑变形异常点,首先通过基坑维护结构的有限元模型,计算消除该水平变形所需要的集中补偿轴力Ftarget
划定作用千斤顶群范围模块,用于以基坑变形异常点最近的支撑周围一定距离范围内所有支撑的千斤顶,作为下一步轴力补偿控制的千斤顶群;
补偿轴力的分配模块,用于将所述集中补偿轴力Ftarget按照以下方法进行分配:首先计算千斤顶群中,每一个千斤顶到基坑变形异常点的距离并按照从小到大依次排列,并根据距离划分为若干组,确定每一组千斤顶的补偿轴力的分配比例;同一组内千斤顶平均承担该组分配的补偿轴力;
轴力安全校核模块,用于根据轴力监测系统采集的支撑轴力数据,确定每一组千斤顶中的最大轴力监测值;判断施加分配的补偿轴力后,该支撑是否达到最大允许轴力值;如果该支撑是否达到最大允许轴力值,按照调整机制重新进行补偿轴力的分配,直到其满足最大允许轴力值条件;
轴力补偿模块,用于根据轴力安全校核模块确定的千斤顶群轴力分配方案,对千斤顶群的每个千斤顶进行控制,从而在较大范围均匀施加轴力补偿,降低围护结构的不良集中受力状态。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述集中补偿轴力Ftarget采用如下公式一计算,所述公式一如下:
其中,Fi表示第i道混凝土支撑液压千斤顶轴力;α为修正系数,与支撑道数等有关;E为混凝土材料变形模量;I为围护结构截面惯性矩;δi为第i道混凝土支撑位置处围护结构变形量;H为围护结构深度。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述补偿轴力的分配模块采用如下方式进行分配:
假设支撑K0为距离基坑变形异常点最近的中心支撑,数量为Ninner,支撑K1~K8为距离中心支撑最近的相邻支撑,数量为Nouter,假设Ki支撑上已施加轴力为Fi;所述中心支撑以及相邻支撑均指型钢混凝土组合支撑,中心支撑补偿轴力与相邻支撑补偿轴力分配比为0.7:0.3,则Ki支撑上补偿轴力为:
其中,i=0或1或2或3或4或5或6或7或8;当i=0时,Ninner=1,当i=1或2或3或4或5或6或7或8时,Nouter=i。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述按照调整机制重新进行补偿轴力的分配采用如下方式:如果第Kj支撑已经达到最大允许轴力值Fj_max,按照以下调整机制重新进行补偿轴力的分配:
当i=j=0,则第Ki支撑轴力补偿为:
当i=j≠0,则支撑补偿轴力为
△Fj=Fj_max-Fj i=j
其中,j=0或1或2或3或4或5或6或7或8。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中所述预制型钢段2可以条状的,此时只需要设置一个轴力补偿装置3。
或者,所述预制型钢段2包括主干段2.1以及三个端头段2.2,主干段2.1的中心轴以及三个端头段2.2的中心轴位于同一水平面,所述主干段2.1的一端呈长条状并与混凝土支撑段1的一端同轴连接,所述主干段2.1的另一端具有三个分支段,分别为一中间段2.1.1和两斜向段2.1.2,位于中间的中间段2.1.1与所述混凝土支撑段1同轴设置,两斜向段2.1.2对称设置于中间段2.1.1的中心轴的两侧,三个分支段的外侧端分别与对应的端头段2.2的一端同轴连接,端头段2.2的另一端与围护结构5之间分别设置对应的轴力补偿装置3。将在预制型钢段2设置三个分支段,可以分散型钢混凝土组合支撑对维护结构的作用力,从而减小应力集中,提高围护结构5的抗变形能力。通过将预制型钢段2分成主干段2.1以及三个端头段2.2,可以方便预制型钢段2运输。
当一支撑轴力补偿分配好以后,当所述预制型钢段2条状时,则预制型钢段2对应的轴力补偿装置的轴力补偿为支撑轴力补偿。当该预制型钢段2采用主干段2.1以及三个端头段2.2,中间段的轴力补偿装置的轴力补偿为该支撑轴力补偿的1/3.斜向段对应的轴力补偿装置的轴力补偿为支撑轴力补偿的1/(3*cosa),其中a为中间段的中心轴与斜向段的中心轴之间的夹角。
请重点参阅图11至图14,本实施例的一种可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统采用如下方法进行施工:
步骤1:施作基坑围护结构5,并在基坑内施作钢立柱9;
步骤2:基坑开挖过程中采用盆式开挖法,待基坑中部开挖到设计支撑位置时,设置模板并浇筑混凝土支撑段1,养护预定时间;
步骤3:开挖靠近基坑围护结构5的压土,直至设计位置,暴露基坑围护结构5,形成工作面;
步骤4:将围檩4与围护结构5中的预留钢垫片焊接连接;
步骤5:将两预制型钢段2的一端通过插销式刚性连接件分别快速连接于混凝土支撑段1的两端,形成型钢混凝土组合支撑;
步骤6:在两预制型钢段2的另一端与围檩4之间分别设置对应轴力补偿装置3,所述轴力补偿装置3包括支座箱3.2和设置于支座箱3.2内的液压千斤顶3.1,液压千斤顶3.1与控制系统连接并受控制系统控制;
步骤7,重复步骤2至步骤6,直至由上而下所有钢混凝土组合支撑施工完成;
步骤8:控制系统与用于实时测量基坑围护结构5水平变形的若干传感器连接,并接受来自传感器的基坑围护结构5变形监测数据,控制系统根据基坑围护结构5变形监测数据,对相应的液压千斤顶3.1的顶力进行实时调节,确保型钢混凝土组合支撑受力及基坑围护结构5变形处于安全范围内。
实施例二
请重点参与图15至图17,并可结合参阅图1至图14,本实施例中,所述围护结构5的内侧设置围檩4,且所述围檩4对应预制型钢段2处的下方设置围檩托板18,所述围檩4与围檩托板18可以采用混凝土,也可采用钢制材料,本实施例中,所述围檩4与围檩托板11采用钢制材料,以加快施工进程,围檩4以及围檩托板18的外侧面分别与围护结构5固定连接,所述围檩4上远离围护结构5的一侧对应预制型钢段2处设置凹槽,所述凹槽面向对应的预制型钢段2侧开口且向上开口,凹槽的底面上铺设一滑移层15,预制型钢段2的一端伸入凹槽内并位于滑移层15上,所述滑移层15上靠围檩4处设置一水平搁板16,所述搁板16的一端与围檩4固定连接,所述轴力补偿装置3设置于搁板16上,所述轴力补偿装置3包括支座箱3.2’以及液压千斤顶3.1,液压千斤顶3.1设置于支座箱3.2’内,在支座箱3.2’两侧对称设置用于保证液压千斤顶3.1中心轴与预制型钢段2中心轴同轴的支座限位块19,在搁板16上设置一后靠钢板17,所述后靠钢板17竖向贴合设置于围檩4上远离围护结构5的一侧。一方面,通过将所述围檩4对应预制型钢段2处的下方设置围檩托板18,在围檩4上远离围护结构5的一侧对应预制型钢段2处设置凹槽,凹槽的底面上铺设滑移层15,预制型钢段2的一端伸入凹槽内并位于滑移层15上,本实施例中滑移层15采用油布,通过设置滑移层15能够大幅降低变形调控中预制型钢段2滑移的摩擦力,使得预制型钢段2能够在液压千斤顶3.1的作用下相对围檩4的凹槽的底面滑移,从而实现型钢混凝土组合支撑轴力的主动控制,有效限制基坑开挖过程中围护结构5变形,满足基坑绿色化施工微变形、微扰动的要求。另一方面,通过在所述围檩4上远离围护结构5的一侧对应预制型钢段2处设置凹槽,所述凹槽面向对应的预制型钢段2侧开口且向上开口,并将轴力补偿装置3设置于对应的凹槽的滑移层15上,轴力补偿装置3内设置液压千斤顶3.1,预制型钢段2在液压千斤顶3.1的作用下能够相对围檩4的凹槽的底面滑移,从而使得该型钢混凝土组合支撑将自身的反作用力经围檩4传递给围护结构5,不但可以增加围檩4和围护结构5之间的连接紧密度,可有效避免围檩4与围护结构5发生脱开现象,而且液压千斤顶3.1的作用力直接作用于型钢混凝土组合支撑,避免液压千斤顶3.1通过围檩4传递荷载给型钢混凝土组合支撑从而导致围檩4发生破坏,有利于充分发挥混凝土支撑承载能力,并且由于围檩4呈闭合状设置于围护结构5的内侧,可以分散型钢混凝土组合支撑对围护结构5的反作用力,提高围护结构5的稳定性,减小基坑围护结构5变形。当然也可以在凹槽的底面上设置滚珠,以方便预制型钢段2进行滑移。
优选的,在上述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统中,所述支座箱3.2’包括底板3.2.1、两侧板3.2.2’、支座钢板3.2.3’、以及盖板3.2.4’,所述两侧板3.2.2’的底部分别设置于所述底板3.2.1’的左右两侧,所述支座钢板3.2.3’设置于所述底板3.2.1’上,所述液压千斤顶3.1设置于所述支座钢板3.2.3’上,所述支座钢板3.2.3’的上部设有一弧形槽,所述弧形槽与所述液压千斤顶3.1的外轮廓相匹配的,所述盖板3.2.4’可拆卸式设置于两侧板3.2.2’的上部。通过采用上述结构的支座箱3.2’,可以对液压千斤顶3.1提供有效的支撑和保护。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述,并非对本发明范围的任何限定,本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰,均属于权利要求书的保护范围。

Claims (6)

1.一种可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统,其特征在于,包括控制系统、用于实时测量基坑围护结构水平变形的传感器、型钢混凝土组合支撑、若干钢立柱以及轴力补偿装置,所述轴力补偿装置以及传感器分别与所述控制系统连接,所述型钢混凝土组合支撑包括一混凝土支撑段和两预制型钢段,所述混凝土支撑段的两端分别通过插销式刚性连接件与预制型钢段的一端连接,所述预制型钢段的另一端与围护结构之间设置轴力补偿装置,所述若干钢立柱间隔设置于型钢混凝土组合支撑上,所述混凝土支撑段浇筑于对应钢立柱的外侧,预制型钢段上开设供对应钢立柱穿越的通孔,预制型钢段与对应的钢立柱之间固定连接,所述控制系统根据传感器监测到的围护结构的变形情况通过控制对应的轴力补偿装置主动控制围护结构的变形,所述预制型钢段包括主干段以及三个端头段,所述主干段的一端呈长条状并与混凝土支撑段的一端同轴连接,所述主干段的另一端具有三个分支段,分别为一中间段和两斜向段,位于中间的中间段与所述混凝土支撑段同轴设置,两斜向段对称设置于中间段的中心轴的两侧,三个分支段的外侧端分别与对应的端头段的一端同轴连接,端头段的另一端与围护结构之间分别设置对应的轴力补偿装置;所述控制系统根据传感器监测到的围护结构的变形情况通过控制对应的轴力补偿装置主动控制围护结构的变形,所述控制系统包括:
识别基坑变形异常点以及计算集中补偿轴力模块,用于当传感器监测到某一处围护结构的水平位移达到预警值,作为基坑变形异常点,首先通过基坑围护结构的有限元模型,计算消除该水平变形所需要的集中补偿轴力Ftarget
划定作用千斤顶群范围模块,用于以基坑变形异常点最近的支撑周围一定距离范围内所有支撑的千斤顶,作为下一步轴力补偿控制的千斤顶群;
补偿轴力的分配模块,用于将所述集中补偿轴力Ftarget按照以下方法进行分配:首先计算千斤顶群中,每一个千斤顶到基坑变形异常点的距离并按照从小到大依次排列,并根据距离划分为若干组,确定每一组千斤顶的补偿轴力的分配比例;同一组内千斤顶平均承担该组分配的补偿轴力;
轴力安全校核模块,用于根据轴力监测系统采集的支撑轴力数据,确定每一组千斤顶中的最大轴力监测值;判断施加分配的补偿轴力后,该支撑是否达到最大允许轴力值;如果该支撑达到最大允许轴力值,按照调整机制重新进行补偿轴力的分配,直到其满足最大允许轴力值条件;
轴力补偿模块,用于根据轴力安全校核模块确定的千斤顶群轴力分配方案,对千斤顶群的每个千斤顶进行控制,从而在较大范围均匀施加轴力补偿,降低围护结构的不良集中受力状态;
所述补偿轴力的分配模块采用如下方式进行分配:
假设支撑K0为距离基坑变形异常点最近的中心支撑,数量为Ninner,支撑K1~K8为距离中心支撑最近的相邻支撑,数量为Nouter,假设Ki支撑上已施加轴力为Fi;中心支撑补偿轴力与相邻支撑补偿轴力分配比为0.7:0.3,则Ki支撑上补偿轴力为:
其中,i=0或1或2或3或4或5或6或7或8;当i=0时,Ninner=1,当i=1或2或3或4或5或6或7或8时,Nouter=i;
所述按照调整机制重新进行补偿轴力的分配采用如下方式:如果第Kj支撑已经达到最大允许轴力值Fj_max,按照以下调整机制重新进行补偿轴力的分配:
当i=j=0,则第Ki支撑轴力补偿为:
当i=j≠0,则支撑补偿轴力为
ΔFj=Fj_max-Fj i=j
其中,j=0或1或2或3或4或5或6或7或8。
2.如权利要求1所述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统,其特征在于,所述轴力补偿装置包括支座箱、若干限位套筒、若干限位杆、第一连接垫板、第二连接垫板以及液压千斤顶,所述第一连接垫板与第二连接垫板均竖向设置,所述第一连接垫板与围护结构或者围护结构内侧的围檩固定连接,所述第二连接垫板与预制型钢段固定连接,所述限位杆的一端固定连接与第一连接垫板上,所述限位杆水平设置,所述支座箱内部固定设有供对应的限位杆伸入的限位套筒,所述液压千斤顶设置于支座箱的内部,所述若干限位套筒均匀绕设于液压千斤顶的四周,所述支座箱上面对预制型钢段的一侧设置竖向端板,所述液压千斤顶的底座垂直安装于所述竖向端板上,所述液压千斤顶的伸缩端抵在第一连接垫板上。
3.如权利要求1所述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统,其特征在于,所述围护结构的内侧设置围檩,且所述围檩对应预制型钢段处的下方设置围檩托板,围檩以及围檩托板的外侧面分别与围护结构固定连接,所述围檩上远离围护结构的一侧对应预制型钢段处设置凹槽,所述凹槽面向对应的预制型钢段侧开口且向上开口,凹槽的底面上铺设一滑移层,预制型钢段的一端伸入凹槽内并位于滑移层上,所述滑移层上靠围檩处设置一水平搁板,所述搁板的一端与围檩固定连接,所述轴力补偿装置设置于搁板上,所述轴力补偿装置包括支座箱以及液压千斤顶,液压千斤顶设置于支座箱内,在支座箱两侧对称设置用于保证液压千斤顶中心轴与预制型钢段中心轴同轴的支座限位块,在搁板上设置一后靠钢板,所述后靠钢板竖向贴合设置于围檩上远离围护结构的一侧。
4.如权利要求3所述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统,其特征在于,所述支座箱包括底板、两侧板、支座钢板、以及盖板,所述两侧板的底部分别设置于所述底板的左右两侧,所述支座钢板设置于所述底板上,所述液压千斤顶设置于所述支座钢板上,所述支座钢板的上部设有一弧形槽,所述弧形槽与所述液压千斤顶的外轮廓相匹配的,所述盖板可拆卸式设置于两侧板的上部。
5.如权利要求1所述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统,其特征在于,所述预制型钢段靠近混凝土支撑段的端部以及所述混凝土支撑段的两端分别设置有端面钢板,所述插销式刚性连接件包括插销轴以及卡簧,所述插销轴设置于预制型钢段的端面钢板上,所述卡簧设置于混凝土支撑段的端面钢板上。
6.如权利要求1所述的可主动控制变形的型钢混凝土组合支撑系统,其特征在于,所述钢立柱与预制型钢段通过轴力转换构件连接,所述预制型钢段与钢立柱的连接处分段设置,形成两个相邻节段,相邻节段的对接端分别设置法兰,所述轴力转换构件包括环绕于钢立柱周围的方形钢环、两块支撑板以及两根限位螺杆,所述方形钢环包括两块U型钢板,两块U型钢板通过连接钢板连接形成供钢立柱穿越的通孔,所述支撑板固定套设于钢立柱的外侧,两块支撑板之间通过两根限位螺杆连接,所述方形钢环夹设于两块支撑板之间,所述方形钢环上开设螺栓孔,相邻节段上的法兰分别通过螺栓连接于方形钢环的两侧,所述钢立柱与支撑板之间设置加劲肋。
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