《大跨度预应力装配式鱼腹梁钢结构支护系统研究》

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该课题属于基坑工程内支护系统领域。

预应力装配式鱼腹梁内支护系统,具有施工快速、经济性高、绿色无污染的明显优势。该课题依托《铁路南京南站集疏运系统》工程,通过多年研究,取得如下创新成果:

(1)率先进行支护结构的力学原理及构造研究。系统研究了该类支护系统的理论基础,总体选型,构件细部连接及功能要求。研究成果强化理论机理,介绍支护系统优劣,发表了《装配式预应力鱼腹梁内支撑系统的利与弊》论文。

(2)首次提出型钢组对撑及构件的设计方法。对撑是承担水平荷载、支承两端围护墙的唯一构件。首次提出预应力条件下支撑“表观刚度”及对接规范的设计方法;首次提出增加支撑型钢间斜向缀条,考虑缀板、缀条剪应力情况下支撑承载力可提高数倍,结果更加真实、合理;对接《钢结构设计规范》,提出型钢对撑“等代长细比”概念,据此可直接根据规范采用实腹式构件进行计算,方便快速。研究给出受弯构件整体稳定系数的简化表达式,如此可直接利用规范平面外稳定性计算方法。发表《超大跨度基坑的设计问题及其处理》、《预应力装配式鱼腹梁内支撑的刚度分析》和《装配式型钢内支撑稳定性设计》等论文。参数研究给出最经济的构造型式。

(3)鱼腹梁设计方法及优化研究。提出鱼腹梁为大刚度的荷载转移构件概念,率先提出结构最优化改进思路及设计方法。结合工程实践,首次提出鱼腹梁底梁加强及构造优化措施。专利“一种预应力鱼腹梁支撑支杆端头”、“一种预应力鱼腹梁”和“一种预应力钢索或钢绞线与支杆端头的连接结构”获授权。

(4)立柱与支撑的耦合分析。对大跨、有立柱支撑,采用平衡法及能量法,提出支撑临界力的计算方法。根据规范回弹量要求,首次提出支撑轴力的2%作为立柱的竖向额外荷载。发表《高压注浆施工对周围基坑安全影响分析》论文。

(5)工程应用及反分析。基坑实测结果验证了理论方法合理性,率先提出一系列优化措施及盖挖施工方式充实完善项目研究。应用该技术后项目总建安费总量节省10%。专利“一种轻型地下通道结构”、“一种装配式预应力鱼腹梁内支撑系统的施工方法”获授权,发表《超大跨度地下矩形隧道结构型式及经济性分析》和《超大跨度地道与下穿地铁共建的基坑围护设计研究》论文。

(6)水土压力、温度影响、支撑与地墙连接方式等相关辅助研究。率先提出位移控制下土压力分布,温度作用后支撑轴力有30%的调整余量,建议型钢的应力计算值应为许用值的1/3~1/2.5。支撑与地墙为固定连接时,支撑轴力与位移不变,仅作安全储备。发表《Lateral Earth Pressures Acting onCircular Retaining Walls》及《再论“水土合算”与“水土分算”》论文。

该课题研究成果系统、全面,首次提出了对接既有规范的设计方法、控制指标、施工措施,参与编制完成第一版《预应力鱼腹式基坑钢支撑技术规程》。研究成果总体达国内领先水平。

成果说明

该项目经过攻关,详细介绍了大跨度预应力装配式鱼腹梁支护系统的基本理论、构造连接措施及功能,首次提出了对接国内规范的设计方法和控制指标。研究成果经实际工程检验,表明设计成果精度较高,经济合理。在《铁路南京南站集疏运系统工程》绕城公路隧道(现为玉兰路隧道)两期实施过程中,一期实施中所暴露的研究和现场措施缺陷均已暴露,导致围护墙水平位移大、支撑弯曲、明显竖向位移、支撑着力点底梁翼缘屈曲变形等问题。在二期设计中,预先采取相应措施,成功规避了上述问题。由于基坑跨度大、周边环境复杂,具有很强的代表性,具有很高的参考价

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