基于主动预紧圆形竖井拼装式钢结构支护技术研究

发布时间：2020-06-25 23:09

【摘要】：随着我国城市化建设进程快速发展,城市土地及社会资源日趋紧张。为解决地面空间不足的问题,基础建设开始转向地下发展,地下竖井作为进入地下工程的施工通道需求越来越多。目前地下竖井的支护结构主要以喷射混凝土为主,随着人们的环保意识不断提高,喷射混凝土施工正面临严峻考验。为减少施工对环境的污染,2016年以来,我国大力发展装配式结构。为此本文以拼装式钢结构设计为理念,研究了一套可预紧、可回收的圆形竖井拼装式钢结构。并通过理论计算、数值模拟、现场加载试验及施工应用对该支护结构进行了验证。主要成果如下:1、针对城市市政管网工程中施工竖井的特殊性(数量多、埋深浅(10m以内)、直径小、尺寸相对固定、临时性等特点),设计了一种圆形预紧支护结构,该结构主要材质为钢管和钢板。支护结构环向通过标准单元构件和预紧构件连接成环,纵向采用连接杆件与环向构件相连,最终形成整体筒状似的支护结构。该结构具有施工占地面积小、安全可靠、快速施工、绿色施工、可回收重复利用、经济节约等特点。2、针对主动预紧支护结构的特点,推演了考虑土拱效应的非极限状态下土压力计算公式,在此基础上分析了支护结构的力学性能。结果表明:圆形闭环结构在外部均压作用下只承受环向轴力作用,整体筒状结构最大环向力发生在0.7~0.8H部位,竖向弯矩发生在0.9H位置。最后在环向力作用下进行构件应力、预紧构件螺纹、螺牙及螺栓强度校验,整个结构受力体系明确,便于工程计算与设计。3、采用有限元软件SAP2000分析了标准单元构件组成(钢管、垫块及钢板)之间的力学机理。结果表明:钢板的变形和垫块的存在会使钢管产生扭矩和弯矩,对结构产生不利影响,需要在设计过程中对垫块间距和钢板刚度进行优化。4、通过现场加载试验表明:随着支护结构向外扩张,竖井周边地层受到挤压作用向竖井外变形,钢管上应力呈线性增加,说明支护结构外扩能够同周边土体协同作用,对抑制地表沉降发挥积极作用。5、通过现场应用表明:该结构施工工艺简单,随挖随支,工期大幅缩短,平均开挖进尺2.5m/天;现场无扬尘、不污染环境;能够完全回收重复利用,经济效益及社会效益明显。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U455.8
【图文】：

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图 2-2 环向支护结构拼装示意图2.2 竖向构件通过竖向构件与环向构件的连接，使支护结构在空间上形成一个整体，有利高整个支护结构刚度及整体竖井稳定性。竖向构件高度适地质条件可设计0m~3.0m，环向间距 2.5m~3.0m，随着竖井开挖进尺及时进行安装。竖向构件由带长条孔的纵向槽钢、带螺母的 U 型抱箍、螺栓、垫片等部件组成钢上长条孔设计便于环向支护钢管在竖向上距离出现偏差时，通过长条孔调节位置而实现与环向钢管连接。U 型抱箍为标准件，其上焊有螺母便于螺栓连接度调节垫片放置于抱箍与纵向槽钢之间，用于解决环向钢管与纵向槽钢出现孔度调节垫片上的孔开口，便于垫片的快速安装。定位垫片是将两根连接螺栓的距进行固定，以使之不至于发生滑动。安装步骤如下：1、将该竖向构件所有涉及抱箍抱住环向支护钢管；

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图 2-3 竖向构件部件及安装效果图型抱箍；b 开口厚度调节垫片；c 固定垫片；d 带长条孔纵向槽钢正面效果；f 连接完成背后效果）构件准单元构件之间通过预紧构件实现连接，预紧构件由带内带丝螺杆组成，带丝螺杆自由端头设有螺栓孔可与环向单螺栓实现连接。在整个环向单元构件通过预紧构件连接成预紧构件套筒实现两端螺杆自由伸长，从而使整个封闭圆大，实现对圆环背后土体的挤压。件为标准构件，由套筒和螺杆组成，材料选用 45#钢材。长度 260mm，直径 68mm，壁厚 7.5mm，中间设有 20mm转套筒，见图 2-4 所示；

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