以最大位移为控制目标的伺服钢支撑系统轴力确定方法技术方案

本发明专利技术提出的以最大位移为控制目标的伺服钢支撑系统轴力确定方法，具体计算步骤如下：(1)根据实际工程，建立弹性地基梁模型，确定相关计算参数及最大位移控制要求；(2)建立伺服系统弹性地基梁的控制平衡方程；(3)确定调控支撑并修正对应的支撑刚度矩阵；(4)逐步增加调控轴力值，求解受力平衡方程得到对应墙体位移值；(5)计算墙体弯矩剪力及各支撑轴力值，判断各构件是否受力满足设计值。本发明专利技术基于伺服系统控制平衡方程，迭代计算判断轴力调控下各边界条件，提出了一套伺服支撑调控轴力的确定方法，可为设计施工提供理论参考。

Determination of axial force of servo steel support system with maximum displacement as control target

The method of determining the axial force of the servo steel support system with the maximum displacement as the control target is presented in this invention. The concrete calculation steps are as follows: (1) according to the actual engineering, the elastic foundation beam model is established, the relevant calculation parameters and the maximum displacement control requirements are determined; (2) the control equilibrium equation of the elastic foundation beam of the servo system is established; (3) the determination of the balance equation of the elastic foundation beam is established. Control support and modify the corresponding support stiffness matrix; (4) gradually increase the control axis force value, solve the force balance equation to get the corresponding wall displacement value; (5) calculate the wall bending moment shear and the support axis force values, to determine whether the components of the force to meet the design value. Based on the control balance equation of servo system and iterative calculation to judge the boundary conditions under the control of axial force, a set of method for determining the axis force of servo support is put forward, which can provide theoretical reference for the design and construction.

【技术实现步骤摘要】
以最大位移为控制目标的伺服钢支撑系统轴力确定方法
本专利技术涉及基坑工程中伺服钢支撑调控的受力变形计算领域，主要涉及一种以最大位移为控制目标的伺服钢支撑系统轴力确定方法。
技术介绍
随着城市地下空间的快速发展，基坑开挖对周围环境保护的要求不断提高。对比传统支撑被动受力的特点，伺服钢支撑采用主动施加轴力的控制方法，在对基坑变形控制要求高的工程中愈来愈广泛应用。然而，由于伺服系统推广使用的时间较短，对其调控手段的理论研究不足，并且施工单位使用时所采用的调控手段也较为单一，因此如何有效确定调伺服支撑调控轴力是当前急需解决的一个重要课题。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)中提出，在实际施工中可依靠实时监测墙体位移等手段进行伺服支撑轴力调控。该方法弥补了单一轴力调控的不足，采用现场实时监测为调控依据进行位移控制。但需要指出的是，该方法存在较大的局限性。其一，现场实时监测变形为调控依据缺乏工程预测能力，无法预测墙体变形的发展情况。其二，伺服系统设计与现场实际施工存在差别，该调控能够服务于实际施工，但无法为伺服设计提供理论依据。其三，该测控手段的关注点单一，仅以位移作为目标，忽略了伺服支撑轴力调控时墙体的弯矩剪力可能超过设计值等。因此，如何能够在控制墙体墙体受力变形在设计值内，并提前预测出一种合理的调控轴力阈值，是本专利技术所需重点解决的问题。本专利技术在充分研究伺服钢支撑力学模型的基础上，提出一套能够以位移控制为目标的确定所需伺服轴力阈值的方法，可为设计与施工提供调控的理论依据。该方法中，通过建立弹性地基梁模型，采用刚度矩阵修正的方法模拟伺服支撑轴力调控的作用，并在模拟过程中设定边界条件限制轴力调控的上下限值：(1)墙体弯矩的绝对值满足设计值，|M|＜Mdesign；(2)墙体剪力值的绝对值满足设计值，|Q|＜Qdesign；(3)钢支撑轴力不能为拉力且不超过设计极限值，0＜Fs,i≤fmax。根据伺服调控研究，离开挖面最近的一道支撑调控效率最高，因此，本专利技术采用自下而上的伺服调控手段，实现伺服调控轴力的确定。该计算方法采用创新性的伺服支撑力学模型，迭代求解符合构件受力设计值的伺服系统轴力调控阈值，不仅为伺服系统的设计提供理论依据，还为实际施工中伺服支撑的调控提供预测及方案，具有重要的工程意义。
技术实现思路
本专利技术提出的以最大位移为控制目标的伺服钢支撑系统轴力确定方法，为实际伺服系统的设计与施工提供合理的伺服轴力调控方案。为了达到上述目的，本专利技术提出的以最大位移为控制目标的伺服钢支撑系统轴力确定方法，包括下列步骤：第一步，根据实际工程，建立弹性地基梁模型，采用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，确定计算参数及最大位移控制要求δcontrol，并求解墙体刚度矩阵[K]、支撑刚度矩阵[Ks]、土弹簧刚度矩阵[Km]；第二步，建立伺服系统弹性地基梁的控制平衡方程：[Fe]＝([K]+[Km]+[Ks])·[Δ]-[Ks][Δs]其中，[K]为墙体刚度矩阵，[Ks]为支撑刚度矩阵，[Km]为土弹簧刚度矩阵，[Ks][Δs]为支撑安装滞后引起的轴力补偿矩阵。第三步，确定调控支撑并修正支撑刚度矩阵，其中，调控支撑采取自开挖面从下至上的调控顺序，首次调控为底部第N道支撑。进一步的，刚度矩阵修正方法为，在支撑刚度矩阵[Ks]中扣除调控支撑N的刚度[Ks,N]，修正为[K′s]＝[Ks]-[Ks,N]。第四步，逐步增加调控轴力值Fs,N，每次调控增加轴力ΔFs,N，并将该调控轴力值更新支撑轴力矩阵[Faxial]，代入伺服系统控制平衡方程，求解对应的墙体变形[Δ]n，其中n表示轴力调控次数：进一步的，每增加调控轴力ΔFs,N，[Faxial]更新可表示为：其中，Faxial,N为支撑N原有的轴力；Fs,N为调控后的轴力。进一步的，考虑支撑刚度矩阵及轴力矩阵的修正，控制平衡方程可表示为：[Fe]＝([K]+[Km]+([Ks]-[Ks,N]))·[Δ]-[Ks][Δs]+[Faxial]。进一步的，求解调控后地连墙变形：[Δ]n＝([Fe]+[Ks][Δs]-[Faxial])([K]+[Km]+([Ks]-[Ks,N]))-1。进一步的，更新调控支撑处位移及预加轴力矩阵，完成下一次轴力调控计算准备。第五步，求解该轴力调控下墙体的受力特性值及各支撑对应的轴力值，并判断是否满足各构件的受力设计值要求。进一步的，墙体弯矩可由下述公式求解：其中，[M]为墙体弯矩矩阵；[Q]为墙体剪力矩阵；m为有限元单元标号；Δl为有限元单元长度。进一步的，各支撑轴力可由下述公式求解：其中Fstrut,i为调控支撑i对应的轴力；Faxial,i为调控支撑i的初始记录轴力；Ei为对应支撑刚度；Ai为对应支撑面积；为支撑k次调控时记录的支撑处墙体变形；进一步的，各构件是否满足受力设计值可采用如下判定公式：①max(|[Mk]|)＜Mdesign(墙体弯矩小于弯矩设计值)②max(|[Sk]|)＜Sdesign(墙体剪力小于剪力设计值)③0＜max([Faxial])＜fmax(各钢支撑轴力小于极限值且不出现拉力)其中，k表示矩阵中第k个节点所对应的受力变形值；Mdesign，Sdesign为墙体最大弯矩、剪力的设计值；fmax为钢制支撑轴力极限值。进一步的，若构件受力设计值满足要求，则判断墙体最大位移是否满足控制要求，如果不满足，则重复第四步至第五步的过程：max(|[Δk]|)≤δcontrol进一步的，若构件受力设计值不满足要求，则调控第N-1道支撑，重复第三步至第五步计算，直至达到最大位移控制要求；若调控完所有支撑都无法满足要求，则重新设计支护结构方案或修改最大位移控制要求。本专利技术提出的以最大位移为控制目标的伺服钢支撑系统轴力确定方法，基于伺服支撑力学模型，迭代求解符合构件受力设计值的伺服系统轴力调控阈值，为设计施工提供理论依据。附图说明图1所示为本专利技术较佳实施例的计算流程示意图。图2所示为本专利技术较佳实施例的计算模型示意图。图3所示为本专利技术较佳实施例的墙体最大位移控制效果示意图。具体实施方式以下结合附图给出本专利技术的具体实施方式，但本专利技术不限于以下的实施方式。根据下面说明和权利要求书，本专利技术的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。请参考图1和图2，图1所示为本专利技术较佳实施例的计算流程示意图，图2所示为本专利技术较佳实施例的计算模型示意图。本专利技术提出的以最大位移为控制目标的伺服钢支撑系统轴力确定方法，包括下列步骤：第一步，根据实际工况，建立弹性地基梁模型，采用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，确定计算参数及最大位移控制要求，并计算墙体刚度矩阵、支撑刚度矩阵、土弹簧刚度矩阵；第二步，建立伺服系统弹性地基梁的控制平衡方程；第三步，确定调控支撑并修正支撑刚度矩阵，支撑调控的顺序采取自下而上的原则，首次调控第N道支撑。第四步，逐步增加调控轴力值，并将该调控轴力值更新支撑轴力矩阵，代入伺服系统控制平衡方程，求解对应的墙体变形，每次本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以最大位移为控制目标的伺服钢支撑系统轴力确定方法，其特征在于，包括下列步骤：第一步，根据实际工况，建立弹性地基梁模型，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，确定相关计算参数及最大位移控制要求δcontrol，并求解墙体刚度矩阵[K]、支撑刚度矩阵[Ks]、土弹簧刚度矩阵[Km]；第二步，建立伺服系统弹性地基梁的控制平衡方程；第三步，确定调控支撑并修正支撑刚度矩阵。调控准则采取自开挖面从下至上的调控顺序，首次调控为底部第N道支撑。第四步，逐步增加调控轴力值，并将该调控轴力值更新支撑轴力矩阵，代入伺服系统控制平衡方程，求解对应的墙体位移值。第五步，求解该轴力调控下墙体的受力特性值及各支撑对应的轴力值，并判断是否满足各构件的受力设计值要求：若满足构件受力设计值，且墙体最大位移满足控制要求，则结束调控；若仅满足构件受力设计值而不满足墙体最大位移，则重复第四步至第五步计算；若构件受力设计值不满足，则调控第N‑1道支撑，重复第三步至第五步计算；若调控完所有支撑都无法满足要求，则重新设计支护结构方案或修改最大位移控制要求。

【技术特征摘要】
1.一种以最大位移为控制目标的伺服钢支撑系统轴力确定方法，其特征在于，包括下列步骤：第一步，根据实际工况，建立弹性地基梁模型，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，确定相关计算参数及最大位移控制要求δcontrol，并求解墙体刚度矩阵[K]、支撑刚度矩阵[Ks]、土弹簧刚度矩阵[Km]；第二步，建立伺服系统弹性地基梁的控制平衡方程；第三步，确定调控支撑并修正支撑刚度矩阵。调控准则采取自开挖面从下至上的调控顺序，首次调控为底部第N道支撑。第四步，逐步增加调控轴力值，并将该调控轴力值更新支撑轴力矩阵，代入伺服系统控制平衡方程，求解对应的墙体位移值。第五步，求解该轴力调控下墙体的受力特性值及各支撑对应的轴力值，并判断是否满足各构件的受力设计值要求：若满足构件受力设计值，且墙体最大位移满足控制要求，则结束调控；若仅满足构件受力设计值而不满足墙体最大位移，则重复第四步至第五步计算；若构件受力设计值不满足，则调控第N-1道支撑，重复第三步至第五步计算；若调控完所有支撑都无法满足要求，则重新设计支护结构方案或修改最大位移控制要求。2.根据权利要求1所述的以最大位移为控制目标的伺服钢支撑系统轴力确定方法，其特征在于，伺服系统的控制平衡方程可表示为：[Fe]＝([K]+[Km]+[Ks])·[Δ]-[Ks][Δs]其中，[K]为墙体刚度矩阵，[Ks]为支撑刚度矩阵，[Km]为土弹簧刚度矩阵，[Ks][Δs]为支撑安装滞后引起的轴力补偿矩阵。3.根据权利要求1所述的以最大位移为控制目标的伺服钢支撑系统轴力确定方法，其特征在于，根据调控支撑N修正支撑刚度矩阵，即在支撑刚度矩阵[Ks]中扣除调控支撑N的刚度[Ks,N]，修正为[K′s]＝[Ks]-[Ks,N]。4.根据权利要求1所述的以最大位移为控制目标的伺服钢支撑系统轴力确定方法，其特征在于，逐步增加调控轴力值Fs,N，每增加调控轴力ΔFs,N，[Faxial]更新表示为：其中，Faxial,N为支撑N原有的轴力；Fs,N为调控后的轴力。5.根据权利要求4所述的以最大位移为控制目标的伺服钢支撑系统轴力确定方法，其特征在于，将修正的支撑刚度矩阵和轴力矩阵代入伺服系统弹性地基梁法的控制平衡方程中：[Fe]＝([K]+[Km]+([Ks]-[Ks,N]))·[Δ]-...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明广，黄彪，陈锦剑，高亿文，侯永茂，王建华，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31