[发明专利]一种采用修正刚度矩阵的伺服支护体系受力变形计算方法

说明书

本发明提出一种采用修正刚度矩阵的伺服支护体系受力变形计算方法：(1)根据实际工程，建立弹性地基梁简化模型；(2)建立伺服系统弹性地基梁的控制平衡方程；(3)按工况类型修正支撑刚度矩阵：若正常开挖，则不修正支撑刚度矩阵，若安装或调控伺服支撑，则在支撑刚度矩阵中扣除该支撑刚度，并在预加轴力矩阵中更新输入的调控阈值；(4)将修正的支撑刚度矩阵及轴力矩阵代入平衡方程，求解调控后墙体的受力变形，并更新调控后的支撑处墙体位移及预加轴力矩阵。本发明结合弹性地基梁法、有限元等方法，根据伺服调控修正平衡方程中支撑刚度矩阵，提出伺服系统调控下支护体系受力变形的计算方法，具有计算效率高、精度高、可编程化等优点。

技术领域

本发明涉及基坑工程受力变形模拟计算领域，主要涉及一种采用修正刚度矩阵的伺服支护体系受力变形计算方法。

背景技术

随着大城市地下空间的发展，如地铁车站等深基坑紧邻已有建筑物的情况愈发频繁，使得基坑开挖施工对周围环境的保护要求不断提高。在对地连墙变形控制要求严格的项目中，传统钢支撑由于被动受力的原因无法达到控制要求，工程中更多地采用伺服调控下的应力补偿支撑(即能主动施加轴力于围护结构)，来确保开挖阶段围护结构的变形控制。

由于伺服系统工作原理的复杂性且推广使用时间较短，伺服系统的理论研究及模拟计算方法严重不足。同济设计院于12年提出的“一种采用钢支撑轴力伺服系统控制深基坑变形的设计方法”(CN102535479A)中，通过有限元软件得到伺服钢支撑的调控阈值。然而，该方法中有限元仅提供控制阈值，无法真实预测实际施工中伺服钢支撑轴力变化与墙体变形的关系。正如上海隧道工程有限公司于17年“以位移为伺服目标的支撑轴力伺服系统及测控方法”(CN107142947A)中强调，实际施工中仍多依靠实时监测支撑轴力或墙体位移等手段进行控制，缺乏相应的理论支持。

因此，本发明希望在充分研究伺服钢支撑作用机理的基础上，提出一套能够有效模拟不同伺服支撑轴力控制下墙体受力变形的计算方法，为设计与施工提供伺服反应支撑轴力与墙体变形关系的理论依据。

传统的弹性地基梁法是一种简化计算地下连续墙受力变形的方法，该方法具有计算简便性、结果合理性等优点。本发明充分研究伺服支撑工作原理及与地连墙受力变形的关系，提出一种新的模拟伺服支撑工作效果的物理模型，并实现了一套伺服系统模拟计算方法。该方法中，通过弹簧与预加轴力组合模型模拟伺服钢支撑，并根据工况类型对刚度矩阵进行修正：若正常开挖，则不修正刚度矩阵；若安装新的伺服支撑或调控已有伺服支撑，则在支撑刚度矩阵中扣除调控支撑刚度，并将输入的调控阈值更新预加轴力矩阵，计算出墙体对应的受力变形。该计算方法采用创新性的伺服支撑物理模型，更贴合实际工程中伺服支撑的工作原理，能有效反应实际施工中伺服支撑轴力与墙体位移的受力变形关系，为实际施工及设计提供理论依据。

发明内容

本发明提出的采用修正刚度矩阵的伺服支护体系受力变形计算方法，为实际伺服系统的设计施工提供理论参考。

为了达到上述目的，本发明提出的采用修正刚度矩阵的伺服支护体系受力变形计算方法，包括下列步骤：

第一步，根据实际工况，确定土层、地连墙、支撑等的几何及物理力学参数，建立弹性地基梁模型，其中，弹性梁模拟围护结构，土弹簧单元模拟坑内土体，弹簧结合预加轴力模型模拟伺服钢支撑，并求解墙体刚度矩阵[K]与土弹簧刚度矩阵[K_m]和支撑刚度矩阵[K_s]；

第二步，根据弹性地基梁模型，建立伺服系统弹性地基梁的控制平衡方程：

[F_e]＝([K]+[K_m]+[K_s])·[Δ]-[K_s][Δ_s]