[發(fā)明專利]一種地下工程連通接駁等效剛度加固的方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202111112671.3
• 申請日: 2021-09-18
• 公開（公告）號: CN113886913A
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 雷升祥;趙偉;李梅麗;丁正全;鄒春華;陳橋楓
• 申請（專利權(quán)）人: 中鐵十八局集團有限公司
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/20;E02D29/045;G06F119/14
• 代理公司: 北京睿博行遠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11297
• 代理人: 董自亮

1.一種地下工程連通接駁等效剛度加固的方法，其特征在于：本方法主要分為兩個階段，第一個階段是對既有結(jié)構(gòu)直接開洞狀態(tài)進行評估；第二階段為既有結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)評估；當?shù)谝粋€階段評估為不安全時，采用先加固后開洞的方法；當?shù)谝粋€階段評估為安全時，進行第二個階段的評估，當?shù)诙€階段評估安全時，采用不加固直接開洞的方法，當?shù)诙€狀態(tài)評估不安全時，采用先加固后開洞的方法；加固采用等效剛度法；等效剛度法依據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨結(jié)構(gòu)剛度分配的機理，將開洞前墻的抗彎剛度等效為加固梁的抗扭剛度和加固柱的抗彎剛度，作為確定加固環(huán)梁初始斷面和強度校核的依據(jù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地下工程連通接駁等效剛度加固的方法，其特征在于：所述的加固指的是洞口的永久性加固，不加固指無永久加固。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地下工程連通接駁等效剛度加固的方法，其特征在于：所述的開洞階段指按開洞時實際荷載驗算，極限狀態(tài)指按結(jié)構(gòu)的極限荷載條件驗算。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地下工程連通接駁等效剛度加固的方法，其特征在于：所述的正常使用指變形及裂縫等影響使用功能的驗算，承載能力指影響結(jié)構(gòu)安全的強度驗算；當開洞截面及加固截面初定后，在既有結(jié)構(gòu)開洞前先進行開洞階段的安全評估，第一種為開洞階段不安全的需先進行加固，第二種為開洞階段安全的需進一步進行極限狀態(tài)評估。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地下工程連通接駁等效剛度加固的方法，其特征在于：所述的開洞階段影響結(jié)構(gòu)安全的，或極限狀態(tài)影響結(jié)構(gòu)安全的，需在開洞前進行加固，采用等效剛度法，將開洞前墻的抗彎剛度等效為加固梁的抗扭剛度和加固柱的抗彎剛度，為加固環(huán)梁斷面設(shè)計提供依據(jù)，為開洞加固提供理論支撐；開洞階段不影響結(jié)構(gòu)安全，但經(jīng)極限狀態(tài)評估影響安全的，采用先開洞后加固的方法。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地下工程連通接駁等效剛度加固的方法，其特征在于：所述的拓建工程連通接駁的安全風險之一來自于接駁鑿除對既有結(jié)構(gòu)的破壞，包括對洞周既有結(jié)構(gòu)開洞的工藝性損傷和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的增加；地下工程屬于典型的高次超靜定結(jié)構(gòu)；靜定結(jié)構(gòu)的冗余度為結(jié)構(gòu)開洞提供內(nèi)力調(diào)整空間，是結(jié)構(gòu)安全的一道防線；冗余度是結(jié)構(gòu)在極限承載條件下的冗余，拓建連通接駁直接開洞利用結(jié)構(gòu)極限荷載狀態(tài)下的這種安全冗余，降低既有結(jié)構(gòu)的安全儲備；連通接駁既要確保洞周既有結(jié)構(gòu)的安全，通過加固環(huán)梁控制開洞過程應(yīng)力的重新分配，確保既有結(jié)構(gòu)保持原受力狀態(tài)，采用“先加固、后開洞”的方法；等效剛度法是利用結(jié)構(gòu)的剛度控制開洞過程中應(yīng)力分配路徑的方法；在開洞改變既有結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳遞路徑的情況下，構(gòu)造明確簡潔的內(nèi)力傳遞結(jié)構(gòu)，在內(nèi)力承擔方面，最大限度地實現(xiàn)新增結(jié)構(gòu)對原有結(jié)構(gòu)的力學(xué)功能替代；同時，既有結(jié)構(gòu)的位移場盡量與原狀態(tài)保持一致，確保洞周既有結(jié)構(gòu)的內(nèi)力不超過開洞前狀態(tài)；。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地下工程連通接駁等效剛度加固的方法，其特征在于：純扭、純彎等效剛度確定加固環(huán)梁初始截面的分析方法如下；

(1)墻-梁等效剛度轉(zhuǎn)換

將墻的抗彎剛度等效為加固梁的抗扭剛度；假定開洞部分墻體端部的彎矩為：

M_m＝niθ (1)

i＝EI/H (2)

式(1)、(2)中，M_m為單位寬度墻體的彎矩，n為待定系數(shù)，θ為彎曲轉(zhuǎn)角，i為開洞部分墻體的線剛度，E為材料彈性模量，H為開洞高度，I為墻體截面慣性矩；

假定為洞口加固環(huán)梁最大扭角θ_max和開洞前墻端轉(zhuǎn)角相同θ；加固梁截面最大扭角為：

式(3)中，M_t為加固梁的扭矩，k₁是數(shù)字因子，G為材料剪切模量，a為加固梁截面高度，b為梁截面寬度，θ_max為梁最大扭角；

根據(jù)彎-扭等效剛度的原則θ_max＝θ計算加固環(huán)梁截面高度a和寬度b的關(guān)系，由此初步確定加固環(huán)梁的最小截面尺寸；

加固梁無論豎向還是橫向放置，對抗扭的貢獻是一樣的，但對抗彎的貢獻則差別較大，實際加固梁的截面要結(jié)合彎曲剛度和既有結(jié)構(gòu)的空間條件適當確定；

(2)墻-柱等效剛度轉(zhuǎn)換

將墻的抗彎剛度等效為柱的抗彎剛度，假定墻的截面抗彎剛度為E₁I₁，柱的截面抗彎剛度為E₂I₂，

令E₁I₁＝2E₂I₂，

得到：

式(4)中，a₁為加固柱的高度，b₁為柱的寬度，h為原結(jié)構(gòu)墻厚，E₁為既有結(jié)構(gòu)彈性模量，E₂為加固環(huán)柱彈性模量，L為開洞寬度；

以上根據(jù)彎-彎等效剛度的原則推導(dǎo)了加固柱截面高度a₁和寬度b₁的關(guān)系，由此初步確定加固環(huán)梁的最小截面尺寸；

(3)開洞加固的力學(xué)分析過程

①結(jié)構(gòu)開洞前的初始應(yīng)力平衡狀態(tài)

②結(jié)構(gòu)開洞及加固范圍荷載的解除；

③結(jié)構(gòu)加固；

④結(jié)構(gòu)開洞；

⑤外荷載增加，極限狀態(tài)

(4)連通接駁加固開洞方法

1)結(jié)構(gòu)加固的技術(shù)特征如下：

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固有增大截面法、置換混凝土法、外包型鋼法、外粘鋼板法、外粘復(fù)合纖維法；利用等效剛度法確定截面后，應(yīng)按新的荷載狀態(tài)及結(jié)構(gòu)形式，進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行配筋設(shè)計及驗算，并對截面進行校核；

等效剛度加固法是以結(jié)構(gòu)構(gòu)件的“剛度”為重點，對于連通接駁墻體開洞加固以增大截面法為主設(shè)定結(jié)構(gòu)剛度；新增結(jié)構(gòu)采用高一個等級的混凝土；

2)結(jié)構(gòu)開洞的技術(shù)特征如下：

拓建工程與既有結(jié)構(gòu)連通接駁時，開洞范圍內(nèi)的鋼筋混凝土主體墻、板，需采用靜力無損切割技術(shù)完成；既有結(jié)構(gòu)在零開洞條件下先行加固，使得開洞施工的重點轉(zhuǎn)移到如何降低對加固環(huán)梁和洞周既有結(jié)構(gòu)的工藝性損傷和切割的工藝便利性。