專利名稱：基坑鋼支撐壓力變形及脹縮變形調(diào)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于基坑施工中鋼支撐壓力變形及脹縮變形調(diào)節(jié)的裝置，屬于構(gòu)件在大壓力下微小變形調(diào)節(jié)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在地鐵施工中，厚度60～70cm的地鐵車站頂板的混凝土經(jīng)常出現(xiàn)早期的上下貫通的裂縫，經(jīng)現(xiàn)場不同溫度下測量及分析，了解到其主要原因是支撐地下連續(xù)墻的鋼支撐在環(huán)境溫度影響下的熱脹冷縮給初齡階段的混凝土造成的較大的應(yīng)變，從而使其產(chǎn)生早期開裂。為解決這一問題，本發(fā)明設(shè)計了特定的具有脹縮變形的自動補(bǔ)償功能的裝置，將會對避免地鐵車站頂板早期開裂產(chǎn)生良好的效果。此外為降低由于土壓力的不斷增大引起鋼支撐的壓縮變形(這種變形使連續(xù)墻在土壓力作用下產(chǎn)生不利的附加內(nèi)應(yīng)力)，該裝置還具有補(bǔ)償這種在土壓力下鋼支撐產(chǎn)生變形的功能。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提供一種基坑鋼支撐壓力變形及脹縮變形調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)地下連續(xù)墻基坑側(cè)壁(或其他基坑側(cè)壁，以下同)鋼支撐的變形，即用于調(diào)節(jié)連續(xù)墻所受的不斷增加的土壓力引起的變形及鋼支撐熱脹冷縮引起的變形。
技術(shù)方案本發(fā)明的基坑鋼支撐壓力變形及脹縮變形調(diào)節(jié)裝置包括作為外套的外套筒、底板，作為內(nèi)支架的內(nèi)支架筒、發(fā)蘭盤，作為驅(qū)動部分的鋼絲繩、滑輪組、蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)，作為脹縮變形調(diào)節(jié)部件的電機(jī)、蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)、溫度傳感器、電源盒；其中，外套筒和底板兩部分通過固定螺栓連接而成，內(nèi)支架筒和發(fā)蘭盤兩部分通過沉頭固定螺栓連接而成，內(nèi)支架筒位于外套筒內(nèi)，由定位螺栓將內(nèi)支架筒固定在外套筒內(nèi)，在外套筒與內(nèi)支架筒的側(cè)壁的圓周之間均勻地設(shè)有滑輪組，每對滑輪組分別對應(yīng)固定在底板和內(nèi)支架筒上；蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)位于外套筒和底板外；鋼絲繩的一頭連接蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)，另一頭穿過底板繞過滑輪組與另一個蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)和電機(jī)相連；作為脹縮變形調(diào)節(jié)部件的電機(jī)、蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)、溫度傳感器固定在內(nèi)支架筒的內(nèi)側(cè)，電源盒固定在外套筒的外側(cè)。
根據(jù)計算最上層和最下層的鋼支撐所受的土壓力最大，在施工過程中壓力變化最大的是最上層的鋼支撐，所以最上層的鋼支撐最需要使用該裝置來調(diào)節(jié)壓力變形及脹縮變形，而且最上層鋼支撐的脹縮變形關(guān)系到地鐵車站頂板的澆注時是否開裂的嚴(yán)重問題。其他層面的鋼支撐一般可以不用。估計200米長的地鐵車站大約需要60多根鋼支撐用該裝置。
有益效果鋼支撐的變形由兩個因素引起的，它包括連續(xù)墻所受的不斷增加的土壓力引起的變形及鋼支撐熱脹冷縮引起的變形。前者的調(diào)節(jié)使連續(xù)墻不致產(chǎn)生過大的內(nèi)應(yīng)力，后者的調(diào)節(jié)除此功能之外還保證頂板澆注過程中混凝土不會因環(huán)境溫度變化發(fā)生過大的脹縮變形而開裂以至生成上下貫通的裂縫。(裂縫使頂板滲水、也使鋼筋容易銹蝕而影響其使用壽命)


圖1為鋼支撐壓力變形及脹縮變形調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中有外套筒1-1、底板1-2、內(nèi)支架筒2-1、發(fā)蘭盤2-2、鋼絲繩3、滑輪組4、蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)5、定位螺栓6、固定螺栓7、沉頭固定螺栓8、電機(jī)9-1、蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)9-2、溫度傳感器9-3、電源盒9-4。
圖2為圖1中A-A向剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
圖1為基坑鋼支撐壓力變形及脹縮變形調(diào)節(jié)裝置(以下簡稱變形調(diào)節(jié)裝置)，使用時本裝置兩端與鋼支撐相接。本裝置包括作為外套的外套筒1-1、底板1-2，作為內(nèi)支架的內(nèi)支架筒2-1、發(fā)蘭盤2-2，作為驅(qū)動部分的鋼絲繩3、滑輪組4、滑輪傳動機(jī)構(gòu)5，作為脹縮變形調(diào)節(jié)部件的電機(jī)9-1、蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)9-2、溫度傳感器9-3、電源盒9-4；其中，外套筒1-1和底板1-2兩部分通過固定螺栓7連接而成，內(nèi)支架筒2-1和發(fā)蘭盤2-2兩部分通過沉頭固定螺栓8連接而成，內(nèi)支架筒2-1位于外套筒1-1內(nèi)，安裝時由定位螺栓6將內(nèi)支架筒2-1臨時固定在外套筒1-1內(nèi)，在底板1-2與內(nèi)支架筒2-1的側(cè)壁的圓周之間設(shè)有滑輪組4，滑輪組4包括分別均勻地固定在底板1-2和內(nèi)支架筒2-1上的30個滑輪；蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)5位于外套筒1-1和底板1-2外；鋼絲繩3的一頭連接蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)5，另一頭穿過底板1-2繞過滑輪組4與蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)9-2連接；作為脹縮變形調(diào)節(jié)部件的電機(jī)9-1、蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)9-2固定在內(nèi)支架筒2-1的內(nèi)側(cè)，溫度傳感器9-3、電源盒9-4固定在外套筒1-1的外側(cè)。
滑輪組4使鋼支撐的壓力平均地分配在環(huán)繞了30次的鋼絲繩上，使鋼絲繩所受的傳遞力得到第一次的降低(鋼絲繩的拉力為鋼支撐壓力的1/60)，而鋼絲繩的伸縮使本裝置調(diào)節(jié)成為可能。蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)5再一次降低了傳遞力，使操作者只需施加很小的力就能抵抗上百噸的支撐力。蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)9-2同樣再一次降低了傳遞力使調(diào)節(jié)因溫度產(chǎn)生的變形時只需轉(zhuǎn)矩很小的電機(jī)。溫度傳感器9-3即用一個溫度檢測電路將溫度信號轉(zhuǎn)化為電流信號，再將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號。然后這個電壓信號再傳給步進(jìn)電機(jī)(或伺服電機(jī))，使電機(jī)做出相應(yīng)的動作，使本調(diào)節(jié)裝置“熱縮冷脹”，以自動地補(bǔ)償鋼支撐熱脹冷縮引起的變形。
假設(shè)如圖1左右滑輪中心的距離為40cm(可以根據(jù)設(shè)計人員要求調(diào)整)，滑輪兩邊的鋼絲繩工作時中心距為3cm，受力鋼絲繩的總長約(0.4×2+3.1416×0.03)×30≌27m。
受力分析 鋼絲繩的總拉力等于鋼支撐壓力F(t)，據(jù)計算最上層鋼支撐的受力F(t)變化范圍很大，可以從0到100噸以上。設(shè)鋼支撐最大壓力為Fmax＝100t。若選用12.5mm鋼絲繩，總斷面積為57.27mm2，若鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度為140kg/mm2(或200kg/mm2)，破斷壓力總和為8010(或11450kg)，安全系數(shù)為4.80(或6.87)。
調(diào)節(jié)壓力 位移復(fù)位 使用時將鋼絲繩裝好，將圖中左邊鎖定螺栓6(3個即可)調(diào)到適當(dāng)位置，使外套1和內(nèi)支架2的預(yù)留間距δ(圖1)處處相等，預(yù)留間距δ約7～10mm為宜。搖轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)5的與蝸桿相連的手柄，施加一預(yù)壓力F’，(由于鋼支撐安裝時的支撐力很小，如小于1t)，可用彈簧扳手施力，根據(jù)力矩的大小推算出鋼絲繩的張力，然后將其鎖定。鋼支撐安裝在連續(xù)墻上后就將鎖定螺栓6放松，此時鋼支撐處于工作狀態(tài)。隨著基坑挖深，鋼支撐受力增大時，鋼支撐壓縮變形，同時鋼絲繩內(nèi)力也會增大，致使兩連續(xù)墻相對位移增長(定義兩連續(xù)墻相互靠近位移為正)。設(shè)鋼的彈性模量E＝2.1×106kg/cm2，100噸壓力可使長20m、外徑62cm、厚1.6cm的鋼支撐壓縮3.1mm。在基坑施工過程中，鋼支撐的壓力逐漸增大，可搖動蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)5的手柄收緊鋼絲繩3，使鋼支撐兩端的連續(xù)墻位移恢復(fù)到零位。(從零負(fù)載到100噸壓力，鋼絲繩累計收緊3.1×60＝186mm)。這里假設(shè)鋼支撐的彈性模量與鋼絲繩的宏觀彈性模量(apparent modulus ofelasticity of rope)相等(實際使用時可進(jìn)行標(biāo)定)。
調(diào)節(jié)負(fù)荷 鋼絲繩3與蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)5相連，操作人員可輕易地用手柄轉(zhuǎn)動蝸桿調(diào)節(jié)鋼絲繩3的負(fù)荷。如設(shè)鋼絲繩軸中心與鋼絲繩中心的距離為4cm，傳動齒輪的半徑為6cm，蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)的傳動比為50，操作人員的施力手柄為40cm，手柄上作用2.22kg力時鋼絲繩的負(fù)荷就是1.67t，這時鋼支撐的總壓力就達(dá)到100t。(這里未考慮滑輪組的機(jī)械效率，若機(jī)械效率為70％，作用力將為3.2kg，這樣操作人員操作時將十分輕松。)熱縮冷脹 自動調(diào)節(jié)脹縮變形 如當(dāng)鋼支撐受熱15℃膨脹時伸長1.18×10-5×20×15＝0.00354m(3.54mm)，溫度傳感器9-2(可在外套1內(nèi)壁等距離布置三個，取平均值)是用一個溫度檢測電路將溫度信號轉(zhuǎn)化為電流信號，再轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號。然后這個電壓信號再傳給步進(jìn)電機(jī)(或伺服電機(jī))，電機(jī)驅(qū)動蝸桿，帶動蝸輪，再通過一對齒輪(齒輪傳動比根據(jù)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩確定)傳遞給圍繞鋼絲繩軸的鋼絲繩3，使鋼絲繩3放松。當(dāng)鋼支撐受熱15℃膨脹時伸長了3.54mm時，鋼絲繩3就放松，變形調(diào)節(jié)裝置使δ縮短3.54mm，鋼絲繩3總伸長應(yīng)為3.54×60＝212.4mm。這樣就補(bǔ)償了鋼支撐因受熱引起的長度伸長(反之，鋼支撐冷卻時，鋼絲繩3收緊)，使鋼支撐與變形調(diào)節(jié)裝置的總長在熱脹冷縮過程中總長度保持不變。鋼絲繩總長約27米，連續(xù)通過所有滑輪，所以當(dāng)蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)5或電機(jī)9-1通過蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)9-2收緊鋼絲繩3時，鋼絲繩3的應(yīng)力處處相等。不會發(fā)生偏心受力的情況。
電機(jī)9-1可選用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，它們的功能相近，電機(jī)通過蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)9-2與鋼絲繩3相連，對動作響應(yīng)速度等要求不高，但較容易丟步，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮選用步進(jìn)電機(jī)比較合算。如設(shè)計人員考慮到安裝與維修方便，9-1、9-2、9-3也可裝在外套1的外部(如蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)5)。本裝置使用蝸輪蝸桿傳動，有傳動比大、傳動平穩(wěn)、無噪聲、具有自鎖性的優(yōu)點。
調(diào)整說明基坑開挖過程中，連續(xù)墻所受的側(cè)向土壓力不斷增大。這時要根據(jù)連續(xù)墻位移的變化用蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)5不斷調(diào)整(收緊鋼絲繩)使連續(xù)墻位移保持不變。由于目前一般的激光測距的精度尚難以滿足要求(最高的精度是1mm，即能辨出3ps的時間)，通?？墒褂脦в螛?biāo)裝置的(銦)鋼卷尺測量。因為鋼卷尺自身的熱脹冷縮會帶來很大的誤差，所以要將所有現(xiàn)場溫度下量得的長度換算成某一溫度下(如20℃)的當(dāng)量長度來計算基坑壁(連續(xù)墻)的相對位移。脹縮變形調(diào)節(jié)部件是在外界溫度變化時自動工作的，不需人工干預(yù)，能保證環(huán)境溫度變化的情況下連續(xù)墻之間的相對位移不變。蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)5、9-2和脹縮變形調(diào)節(jié)部件9的電機(jī)9-1、溫度傳感器9-3可按使用要求向有關(guān)專業(yè)公司訂購。
權(quán)利要求
1.一種鋼支撐壓力變形及脹縮變形調(diào)節(jié)裝置，其特征在于該裝置包括作為外套的外套筒(1-1)、底板(1-2)，作為內(nèi)支架的內(nèi)支架筒(2-1)、發(fā)蘭盤(2-2)，作為驅(qū)動部分的鋼絲繩(3)、滑輪組(4)、滑輪傳動機(jī)構(gòu)(5)，作為脹縮變形調(diào)節(jié)部件的電機(jī)(9-1)、蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)(9-2)、溫度傳感器(9-3)、電源盒(9-4)；其中，外套筒(1-1)和底板(1-2)兩部分通過固定螺栓(7)連接而成，內(nèi)支架筒(2-1)和發(fā)蘭盤(2-2)兩部分通過沉頭固定螺栓(8)連接而成，內(nèi)支架筒(2-1)位于外套筒(1-1)內(nèi)，由定位螺栓(6)將內(nèi)支架筒(2-1)固定在外套筒(1-1)內(nèi)，在外套筒(1-1)與內(nèi)支架筒(2-1)的側(cè)壁的圓周之間均勻設(shè)有滑輪組(4)，滑輪組(4)的滑輪對稱地固定在底板(1-2)和內(nèi)支架筒(2-1)上；滑輪傳動機(jī)構(gòu)(5)位于外套筒(1-1)和底板(1-2)外；鋼絲繩(3)的一頭連接蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)(5)，另一頭穿過底板(1-2)繞過滑輪組(4)通過蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)(9-2)與電機(jī)(9-1)相連；作為脹縮變形調(diào)節(jié)部件的電機(jī)(9-1)、蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)(9-2)、溫度傳感器(9-3)固定在內(nèi)支架筒(2-1)的內(nèi)側(cè)，電源盒(9-4)固定在外套筒(1-1)的外側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼支撐壓力變形及脹縮變形調(diào)節(jié)裝置，其特征在于滑輪組(4)分別由與連接外套(1)和內(nèi)支架(2)的60個滑輪組成，其中30個滑輪與外套(1)連接，另外30個滑輪與內(nèi)支架(2)連接，滑輪在圓周上處于等分的位置。
全文摘要
基坑鋼支撐壓力變形及脹縮變形調(diào)節(jié)裝置是一種用于基坑施工中鋼支撐壓力變形及脹縮變形調(diào)節(jié)的裝置，該裝置外套筒(1－1)和底板(1－2)兩部分通過固定螺栓(7)連接，內(nèi)支架筒(2－1)和法蘭盤(2－2)兩部分通過沉頭固定螺栓(8)連接，在外套筒與內(nèi)支架筒之間均勻地設(shè)有滑輪組(4)，滑輪對稱地固定在底板和內(nèi)支架筒上；蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)(5)位于外套筒和底板外；鋼絲繩(3)的一頭連接蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)，另一頭穿過底板繞過滑輪組通過蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)(9－2)與電機(jī)(9－1)相連；作為脹縮變形調(diào)節(jié)部件的電機(jī)、蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)、溫度傳感器(9－3)固定在內(nèi)支架筒的內(nèi)側(cè)。
文檔編號E02D31/10GK1760472SQ20051009484
公開日2006年4月19日 申請日期2005年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月17日
發(fā)明者吳京榮 申請人:東南大學(xué)