[发明专利]一种地下工程连通接驳等效刚度加固的方法

权利要求书

1.一种地下工程连通接驳等效刚度加固的方法，其特征在于：本方法主要分为两个阶段，第一个阶段是对既有结构直接开洞状态进行评估；第二阶段为既有结构极限状态评估；当第一个阶段评估为不安全时，采用先加固后开洞的方法；当第一个阶段评估为安全时，进行第二个阶段的评估，当第二个阶段评估安全时，采用不加固直接开洞的方法，当第二个状态评估不安全时，采用先加固后开洞的方法；加固采用等效刚度法；等效刚度法依据结构内力随结构刚度分配的机理，将开洞前墙的抗弯刚度等效为加固梁的抗扭刚度和加固柱的抗弯刚度，作为确定加固环梁初始断面和强度校核的依据。

2.根据权利要求1所述的一种地下工程连通接驳等效刚度加固的方法，其特征在于：所述的加固指的是洞口的永久性加固，不加固指无永久加固。

3.根据权利要求1所述的一种地下工程连通接驳等效刚度加固的方法，其特征在于：所述的开洞阶段指按开洞时实际荷载验算，极限状态指按结构的极限荷载条件验算。

4.根据权利要求1所述的一种地下工程连通接驳等效刚度加固的方法，其特征在于：所述的正常使用指变形及裂缝等影响使用功能的验算，承载能力指影响结构安全的强度验算；当开洞截面及加固截面初定后，在既有结构开洞前先进行开洞阶段的安全评估，第一种为开洞阶段不安全的需先进行加固，第二种为开洞阶段安全的需进一步进行极限状态评估。

5.根据权利要求1所述的一种地下工程连通接驳等效刚度加固的方法，其特征在于：所述的开洞阶段影响结构安全的，或极限状态影响结构安全的，需在开洞前进行加固，采用等效刚度法，将开洞前墙的抗弯刚度等效为加固梁的抗扭刚度和加固柱的抗弯刚度，为加固环梁断面设计提供依据，为开洞加固提供理论支撑；开洞阶段不影响结构安全，但经极限状态评估影响安全的，采用先开洞后加固的方法。

6.根据权利要求1所述的一种地下工程连通接驳等效刚度加固的方法，其特征在于：所述的拓建工程连通接驳的安全风险之一来自于接驳凿除对既有结构的破坏，包括对洞周既有结构开洞的工艺性损伤和结构内力的增加；地下工程属于典型的高次超静定结构；静定结构的冗余度为结构开洞提供内力调整空间，是结构安全的一道防线；冗余度是结构在极限承载条件下的冗余，拓建连通接驳直接开洞利用结构极限荷载状态下的这种安全冗余，降低既有结构的安全储备；连通接驳既要确保洞周既有结构的安全，通过加固环梁控制开洞过程应力的重新分配，确保既有结构保持原受力状态，采用“先加固、后开洞”的方法；等效刚度法是利用结构的刚度控制开洞过程中应力分配路径的方法；在开洞改变既有结构内力传递路径的情况下，构造明确简洁的内力传递结构，在内力承担方面，最大限度地实现新增结构对原有结构的力学功能替代；同时，既有结构的位移场尽量与原状态保持一致，确保洞周既有结构的内力不超过开洞前状态；。

7.根据权利要求1所述的一种地下工程连通接驳等效刚度加固的方法，其特征在于：纯扭、纯弯等效刚度确定加固环梁初始截面的分析方法如下；

(1)墙-梁等效刚度转换

将墙的抗弯刚度等效为加固梁的抗扭刚度；假定开洞部分墙体端部的弯矩为：

M_m＝niθ (1)

i＝EI/H (2)

式(1)、(2)中，M_m为单位宽度墙体的弯矩，n为待定系数，θ为弯曲转角，i为开洞部分墙体的线刚度，E为材料弹性模量，H为开洞高度，I为墙体截面惯性矩；

假定为洞口加固环梁最大扭角θ_max和开洞前墙端转角相同θ；加固梁截面最大扭角为：

式(3)中，M_t为加固梁的扭矩，k₁是数字因子，G为材料剪切模量，a为加固梁截面高度，b为梁截面宽度，θ_max为梁最大扭角；

根据弯-扭等效刚度的原则θ_max＝θ计算加固环梁截面高度a和宽度b的关系，由此初步确定加固环梁的最小截面尺寸；

加固梁无论竖向还是横向放置，对抗扭的贡献是一样的，但对抗弯的贡献则差别较大，实际加固梁的截面要结合弯曲刚度和既有结构的空间条件适当确定；

(2)墙-柱等效刚度转换

将墙的抗弯刚度等效为柱的抗弯刚度，假定墙的截面抗弯刚度为E₁I₁，柱的截面抗弯刚度为E₂I₂，

令E₁I₁＝2E₂I₂，

得到：

式(4)中，a₁为加固柱的高度，b₁为柱的宽度，h为原结构墙厚，E₁为既有结构弹性模量，E₂为加固环柱弹性模量，L为开洞宽度；

以上根据弯-弯等效刚度的原则推导了加固柱截面高度a₁和宽度b₁的关系，由此初步确定加固环梁的最小截面尺寸；

(3)开洞加固的力学分析过程

①结构开洞前的初始应力平衡状态

②结构开洞及加固范围荷载的解除；

③结构加固；

④结构开洞；

⑤外荷载增加，极限状态

(4)连通接驳加固开洞方法

1)结构加固的技术特征如下：

钢筋混凝土结构加固有增大截面法、置换混凝土法、外包型钢法、外粘钢板法、外粘复合纤维法；利用等效刚度法确定截面后，应按新的荷载状态及结构形式，进行承载能力极限状态和正常使用极限状态进行配筋设计及验算，并对截面进行校核；

等效刚度加固法是以结构构件的“刚度”为重点，对于连通接驳墙体开洞加固以增大截面法为主设定结构刚度；新增结构采用高一个等级的混凝土；

2)结构开洞的技术特征如下：

拓建工程与既有结构连通接驳时，开洞范围内的钢筋混凝土主体墙、板，需采用静力无损切割技术完成；既有结构在零开洞条件下先行加固，使得开洞施工的重点转移到如何降低对加固环梁和洞周既有结构的工艺性损伤和切割的工艺便利性。