基于囊组支座的基坑钢支撑安全受力调节装置及方法与流程

本发明涉及地下工程，特别涉及一种基于囊组支座的基坑钢支撑安全受力调节装置及方法。

背景技术：

1、在软土富水地区深大基坑的施工过程中，土方卸载、坑底承压水顶托等作用下会导致坑底土体出现回弹隆起变形，立柱桩受桩土摩擦作用发生竖向抬升变位。基坑支护结构一般采用“一柱一桩”施作方式，基坑支护结构各个竖向立柱之间、立柱与围护墙之间等都极易出现相对的差异性隆沉，基坑的水平支撑结构承受横向轴力，差异性隆沉将导致水平支撑结构的受力状态更加复杂，一旦节点差异超限必将导致水平支撑结构、逆作楼板出现开裂甚至折断等安全隐患。

2、目前的地铁、地下快速路工程以宽度约20m的狭长深基坑最为典型，一般第一道水平支撑采用钢筋混凝土支撑，其余各道水平支撑大多采用钢支撑，其中，钢筋混凝土支撑通过强化连接节点，具备一定的复杂受力条件包括拉、压、剪、扭等的承载能力；跨度较长的钢支撑承受水平轴压，其中间依靠单根立柱桩作为竖向支撑。在此情形下，立柱桩一旦发生竖向隆起变位，则必然引发钢支撑发生过量挠曲变形，大幅提高钢支撑的失稳破坏风险，而且局部钢支撑一旦发生失稳破坏，极易引发基坑支撑体系发生整体连续破坏；如立柱发生超量的隆起变形，钢支撑受力变形已接近临界失稳状态，此时需要通过对支承位置、轴力等进行多重调整，而临界状态下的复杂操作调整反而极易引发钢支撑直接进入失稳破坏状态，因此，有必要在立柱隆起变形相对较小的时刻，渐进重新调整钢支撑的整体受力状态。

技术实现思路

1、针对狭长深基坑开挖施工过程中，因土方卸载、承压水顶托等作用下带动立柱出现差异隆沉，使得基坑水平钢支撑结构体系处于复杂受力状态，最终导致水平钢支撑出现失稳破坏风险的问题，本发明的目的是提供一种基于囊组支座的基坑钢支撑安全受力调节装置及方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于囊组支座的基坑钢支撑安全受力调节装置，它包括：支撑座、固定框架、囊组支座，静力水准仪及控制系统，多个支撑座与多根水平钢支撑的数量及位置相对应，支撑座设置于水平钢支撑顶部并固接于立柱，每个支撑座顶部均安装一个静力水准仪，固定框架套设于水平钢支撑外侧并固接于支撑座，囊组支座设置于固定框架与水平钢支撑之间；

3、囊组支座包括壳体，并列设置于壳体内的多个气囊，与气囊连通的调节阀，以及位于气囊顶部并嵌设于壳体内的压力传感器，静力水准仪、压力传感器和调节阀均与控制系统信号连接。

4、本发明的基于囊组支座的基坑钢支撑安全受力调节装置，包括设置于水平钢支撑顶部并固接于立柱的支撑座，安装于支撑座顶部的静力水准仪，套设于水平钢支撑外侧的固定框架，设置于固定框架和水平钢支撑之间的囊组支座，囊组支座中气囊的调节阀、压力传感器及静力水准仪均与控制系统信号连接；静力水准仪监测得到立柱及围护墙隆沉数据，压力传感器监测得到支撑座所提供的支承力，控制系统获取监测数据并计算得出给定轴力下立柱差异隆沉量最大限值δvmax，根据当前立柱差异隆沉量得出轴力最大限值pmax,通过实时跟踪监测，实时校核水平钢支撑的受力状态，当立柱差异隆沉量接近最大限值或实测水平钢支撑轴力接近最大限值时，即判定此时水平钢支撑的受力变形接近临界失稳状态，通过控制调节阀对囊组支座中的部分囊体进行压力释放，囊组支座对顶部水平钢支撑形成向下的位移，其与立柱、墙体的差异隆起位移产生抵消作用，有利于水平钢支撑恢复到横向自然受力状态，即通过对囊组支座的单胞囊体的逐个压力释放，随立柱隆起变化适时完成水平钢支撑受力状态的安全可靠调节，避免水平钢支撑轴力、支撑座高度因快速调整而带来的额外安全风险。

5、进一步的，所述固定框架为横截面呈u形的型钢架体，囊组支座的壳体固定于固定框架的底板中部，固定框架的两个侧板贴合设置于水平钢支撑两侧，使得水平钢支撑能够沿竖向发生位移，两个侧板顶部连接于支撑座底部，水平钢支撑中部通过固定框架连接于支撑座，压力传感器、静力水准仪及水平钢支撑的横截面中心线重合。

6、另外，本发明还提供了一种基于囊组支座的基坑钢支撑安全受力调节方法，步骤如下：

7、s1:将立柱底部固接于基坑底部的立柱桩，立柱顶部连接于钢筋混凝土支撑，立柱上竖向设置多个与水平钢支撑的数量及位置相对应的支撑座，水平钢支撑的一端固接于狭长深基坑的一侧围护墙，水平钢支撑的另一端安装伺服轴力补偿系统的轴力补偿装置，并与另一侧的围护墙相抵，固定框架套设于水平钢支撑外侧并连接于支撑座；水平钢支撑安装完成并初次施加轴力后，记录此时囊组支座中压力传感器的初始数值r0；

8、s2：建立狭长深基坑内立柱和水平钢支撑的力学模型，计算或实测支撑座截面的轴力p,推导得出支撑座截面内力弯矩mmid；并结合水平钢支撑弯矩作用平面内的稳定性计算公式，得出给定轴力p下立柱差异隆沉量最大限值δvmax，根据当前立柱差异隆沉量δv得出轴力最大限值pmax,若实测立柱差异隆沉量达到或接近立柱差异隆沉量最大限值δvmax，或实测水平钢支撑的轴力达到或接近轴力最大限值pmax，即判定此时水平钢支撑的受力变形接近临界失稳状态；

9、s3：控制调节阀对囊组支座中的部分囊体进行压力释放，直至水平钢支撑底部压力传感器数值趋近于其初始数值r0，使得水平钢支撑的稳定性恢复到合理范围。

10、本发明的基于囊组支座的基坑钢支撑安全受力调节方法，在水平钢支撑安装完成并施加轴力后，记录压力传感器的初始数值r0，建立狭长深基坑内立柱和水平钢支撑的力学模型，根据实测支撑座截面的轴力,推导得出的支撑座截面内力弯矩，并结合水平钢支撑弯矩作用平面内的稳定性计算公式，得出给定轴力下的立柱差异隆沉量最大限值，根据当前立柱差异隆沉量得出水平钢支撑允许施加的轴力最大限值，作为立柱差异隆沉、给定轴力下的水平钢支撑稳定性安全状态的评价依据；实时跟踪监测并校核水平钢支撑的受力状态，当立柱差异隆沉量接近最大限值或水平钢支撑轴力接近最大限值时，即判定此时水平钢支撑的受力变形接近临界失稳状态，由于气囊受到环压作用，囊体之间存在相互挤压作用，囊体在横向空间扩展，同时在竖向表现为压缩变形，作为一个整体，囊组支座对顶部水平钢支撑形成向下的竖向调节位移δrv，从而对立柱及围护墙墙体的差异隆起位移δv产生抵消作用，使得水平钢支撑恢复到横向自然受力状态，即通过调节囊组支座高度调整水平钢支撑的安全受力状态，使得水平钢支撑的稳定性恢复到合理范围，该方法通过对囊组支座的单胞囊体的逐个压力释放实现水平钢支撑受力状态的安全可靠调节，从而随立柱隆起变化适时调整水平钢支撑的安全受力状态，避免水平钢支撑轴力、支撑座高度因快速调整而带来的额外安全风险，因此，该方法能够为狭长深基坑钢支撑受力变形临近失稳状态的快速判断提供判断依据，并为水平钢支撑安全受力状态的动态调整、及时实施提供可靠方法。

11、进一步的，所述步骤s2中，所述支撑座截面的轴力p通过实测获取，或通过公式计算，如下：

12、p＝eaδh/l

13、其中，p为支撑座截面的轴力；

14、e为水平钢支撑的弹性模量；

15、a为水平钢支撑的横截面积；

16、δh为围护墙在水土压力作用下的相对水平侧移；

17、l为水平钢支撑的长度。

18、进一步的，所述步骤s2中，推导得出所述支撑座截面内力的弯矩mmid，如下：

19、

20、其中，e为水平钢支撑的弹性模量；

21、i为水平钢支撑的惯性矩；

22、q为水平钢支撑的自重；

23、l为水平钢支撑的长度；

24、p为支撑座截面的轴力；

25、me为水平钢支撑端部初始安装偏心距；

26、δv为坑底隆起导致的立柱、围护墙差异竖向位移；

27、me为水平钢支撑端部初始安装偏心距。

28、进一步的，以支撑座截面中心作为x轴的坐标原点，将所述支撑座截面内力的弯矩mmid简化为沿水平钢支撑轴线呈线性分布的弯矩分布函数mx，公式如下：

29、

30、其中，mmid为支撑座截面内力的弯矩；

31、me为水平钢支撑端部初始安装偏心距；

32、l为水平钢支撑的长度；

33、∣x∣为当前计算弯矩的支撑座截面内力的水平坐标的绝对值。

34、进一步的，所述步骤s2中，水平钢支撑弯矩平面内的稳定性计算公式如下：

35、

36、其中，p为支撑座截面的轴力；

37、为平面内轴心受压构件稳定系数；

38、a为水平钢支撑的横截面积；

39、p'ex是计入抗力分项系数后欧拉临界力的设计值；

40、f为强度设计值；

41、βmx为等效弯矩系数；

42、wx为在水平钢支撑弯矩作用平面内对受压最大纤维的毛截面模量；

43、mx为沿水平钢支撑轴线呈线性分布的弯矩分布函数。

44、进一步的，它还包括步骤s4，校验当前水平钢支撑受力状态的安全性，读取水平钢支撑的轴力，计算水平钢支撑竖向隆起位移，根据所述水平钢支撑弯矩平面内的稳定性计算公式加以验算，如果满足水平钢支撑稳定性要求，则完成水平钢支撑的安全受力调节。