大跨度混凝土悬挑结构卸载施工工法.docx
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大跨度混凝土悬挑结构卸载施工工法
跨度混凝土结构卸载施工工法
中建三局建设工程股份有限公司成都分公司
任志平张兴志赵云鹏马卫华谢晓山
1前言
随着城市的发展和改造，城市化建设的加快，越来越多位于城市中心地带的重大工程都已不仅仅追求高度、体量，同时还力求创造出自己独特的建筑形态与人文内涵。
建筑奇异的外形特征往往给结构施工带来很大的挑战，尤其是大跨度的悬挑结构、开洞结构等。
在工程实践中通常以设置临时支撑的方式进行大跨度混凝土结构施工，待上部结构整体成型后再进行卸载。
结构的卸载是将临时支撑体系和主体结构共同形成的受力体系转换为由设计结构独立受力的一个复杂的力学转换过程。
但混凝土结构不同于钢结构，其自身刚度大、易开裂，因此对临时支撑的卸载过程提出了更高的要求。
因此，寻求一种合理的大跨度混凝土结构卸载施工方法已经成为复杂结构施工的当务之急。
2工法特点
大跨度混凝土结构卸载施工工法具备以下几个方面的显著特点：
1卸载过程施工模拟分析。
2多步骤小位移卸载，卸载过程可控。
3卸载全过程监测，信息化施工。
3适用范围
本工法适用于大跨度混凝土结构、型钢混凝土组合结构卸载施工，对钢结构卸载施工也具有借鉴意义。
4工艺原理
大跨度混凝土结构卸载施工是对混凝土结构大跨度悬挑、大跨度开洞结构进行数字化模拟，在此基础上通过精心设计的多步骤小位移卸载方式进行临时支撑卸载，在卸载过程中全过程同步进行监测、分析。
5工艺流程及操作要点
5.1施工技术准备
1已完成卸载过程的模拟分析。
2上部转换结构整体施工成型，混凝土强度达到设计要求。
3确定卸载原则。
4对现场操作人员已进行详细技术交底。
5.2作业条件准备
1为满足卸载施工需要，在每组刚性支撑架顶部设置安全操作平台。
在刚性支撑架上设置垂直爬梯、在平联系桁架上设置施工安全通道，以便通行。
。
2在卸载区域拉设安全警戒线，在卸载过程中严禁无关人员进入，防止物体打击。
水平方向设置挑网和兜网，加强现场安全巡视工作。
四川省省级工法SCGF034-2012、湖北省省级工法HBGF296-2012、局级工法GF/30329-2012
3所有物资、机具、人员都准备完毕，现场具备施工条件。
大跨度混凝土结构卸载施工工法
5.3施工工艺流程
图5.3施工工艺流程图
5.4卸载过程内力模拟分析
目前在大跨度结构施工过程中，对临时支撑卸载过程的模拟分析主要有两种方法：
一是在对临时支撑体系模拟分析过程中用等效反力代替临时支撑，通过逐渐减小反力来模拟卸载过程，当反力减小为零时，卸载完成；二是利用有限元软件中的特殊单元（只压不拉单元：
该种单元只能承受压力，不能承受拉力，当单元内部压力为零或者刚出现拉力时，退出工作，卸载完成。
）来模拟临时支撑，对临时支撑的卸载可以利用杆件承受温度荷载产生收缩进行模拟分析。
为了能够更加准确的了解大跨度结构卸载过程中主体结构和临时支撑结构体系的内力和变形变化规律，保证卸载过程中结构的安全性，探求一种更加合理准确的模拟分析方法是必不可少的。
基于上述方法二，目前对卸载模拟分析的计算方法主要包括：
千斤顶单元法、间隙单元法、千斤顶-间隙单元法、支座位移法、等效杆端位移法、砂箱-间隙单元法等等：
1千斤顶单元法
在大跨度结构施工过程中，一般用千斤顶来实现卸载，用千斤顶的行程来实现卸载量的控制。
千斤顶在卸载过程中只能承受压力而不能承受拉力，且千斤顶的轴向刚度无穷大，轴向变形很小，可忽略不计。
千斤顶单元是一种定义为只压不拉的单元，单元的一端固定在临时支撑体系上，另一端与主体结构可以接触、脱离和滑移。
2间隙单元法
间隙单元定义为一个两节点单元，一个节点在设计结构上，另一个节点千斤顶上，每个节点都只有线位移自由度、、，无转动自由度。
千斤顶和主体结构上耦合单元两节点轴向位移增量相等，即。
当千斤顶与主体结构接触时，间隙单元的长度为零，千斤顶的轴力;当千斤顶与主体结构脱离时，缝隙单元的长度大于零，两节点位移相互独立，且此时单元刚度矩阵为零，对主体结构的贡献也为零。
缝隙单元用来模拟千斤顶顶点与主体结构作用点位置不变的情况。
3千斤顶-间隙单元法
千斤顶-间隙单元法是将千斤顶单元法和间隙单元法结合起来的综合计算方法，卸载过程的模拟是通过判断两个单元的力学状态和修改计算参数来实现的。
分别对临时支撑体系、千斤顶、间隙单元及主体结构建立有限元计算模拟，形成整体分析模型，通过计算确定卸载顺序、卸载步骤和卸载量。
卸载下降位移量有方程控制。
卸载过程中，千斤顶始终都只承受压力，当千斤顶受力为零时，卸载完成，否则，继续对结构进行卸载。
4支座位移法
支座位移法是利用竖向支座约束来替代临时支撑体系，通过给支座施加向下位移模拟卸载过程，如图2.3所示。
这种模拟分析方法比较简单，也不用对支撑体系建模分析，但该方法也存在很多不足之处：
支座能够承受拉力和压力，这与卸载过程中，临时支撑体系不承担拉力不符，只能通过每次都计算各个支座的反力，当所有支座都出拉力时，卸载完成。
在卸载过程中，某些支撑点可能出现暂时脱离状态，用该方法不能模拟此状态。
无法模拟临时支撑体系的回弹对卸载过程的影响。
大跨度混凝土结构卸载施工工法
图5.4-1支座位移法
5等效杆端位移法
等效杆端位移法是一种近似等效的方法，将临时支撑体系简化为以各个支撑点处的独立支撑，简化后的独立支撑等效为具有相同轴向线刚度的弹性杆，通过该弹性杆端支座下降的位移模拟支撑体系的下降，如图2.4所示。
该方法的特点在于：
能够很好的模拟临时支撑体系轴向压力的变化所引起的压缩变形和回弹。
通过有限元中的只压不拉单元特性可以准确的模拟支撑体系与主体结构脱离。
图5.4-2等效杆端位移法
6砂箱-间隙单元法
砂箱-间隙单元法是一种类似于千斤顶-间隙单元法的计算支撑体系卸载过程的方法，该方法是将千斤顶单元换成砂箱单元，通过砂箱排沙（砂箱内装的是钢砂，密度和刚度都比较大）模拟临时支撑体系的卸载。
砂箱是通过有限元软件中的只压不拉单元来模拟，将砂箱单元和间隙单元串联起来，通过计算两个单元的实时受力状态和修改力学参数实现临时支撑的卸载。
卸载过程中的每一步，计算临时支撑体系、砂箱、间隙单元及主体结构内力的受力情况，以此作为判断砂箱的受力大小和间隙单元的长度，作为是否进入下一步卸载的依据。
某一支撑点与主体结构的接触转为脱离或者由脱离转为接触，都必须进行迭代计算，某一支撑点可能出现暂时的脱离状态，此时并不是该支撑点卸载完成，下一步可能又进入接触状态。
根据每步卸载量，重复计算卸载过程，获得卸载过程中临时支撑体系和主体结构内力和变形变化情况。
在施工实践中可以结合采取的具体卸载工具（千斤顶、砂箱等），灵活地选用模拟方案。
通过卸载过程的模拟，初步判断结构卸载过程中主体结构的竖向变形情况、内力重分步情况及裂缝开展情况等，为卸载方案的确定提供依据，同时为施工实测数据提供比较标准。
十米大悬挑结构，悬挑结构平面尺寸为10125mm×28000mm，共设置8个刚性支撑胎架，选用大吨位砂箱作为卸载工具。
图5.4-3大悬挑效果图
图5.4-4大悬挑卸载布置图
选择砂箱作为卸载工具，在结构模拟分析时使用砂箱-间隙单元法对临时支撑体系中的主要受力的型钢支撑胎架对大悬挑结构进行模拟计算，并利用有限元分析软件SAP2000V14中的缝单元模拟整个卸载过程，将初始缝宽度设置为零（）来模拟只受压而不受拉单元。
缝单元行为描述如下：
其中为弹簧常数，且为初始缝开启，其必须为零或正值，为弹簧位移。
临时支撑杆件的卸载可以利用温度的变化，使杆件承受温度荷载产生收缩来模拟，当临时支撑杆件受拉力时，支撑杆件与主体结构脱离，即卸载完成。
根据模拟分析结果，卸载完成后各支撑点最大位移为7.8mm，出现在sup4：
表5.4支撑点结构沉降位移值（单位：
mm）
支撑点位置
Sup1
Sup2
Sup3
Sup4
Sup5
Sup6
Sup7
Sup8
沉降位移（mm）
1.95
2.90
7.39
7.80
7.57
7.54
1.95
2.89
5.5卸载步骤及位移的确定
大跨度混凝土结构卸载施工工法
卸载过程是整个施工过程中非常关键的一个环节，在卸载过程中，整个结构受力体系极其复杂且影响施工安全因素较多，卸载顺序和卸载下降量的确定等都会对大跨度结构的施工质量和安全性产生较大影响。
1卸载基本原则
1）受力体系转化会导致永久结构和临时支撑体系位移和内力不断地变化，设计结构和临时支撑体系的内力重分布是一个动态的过程，应保证位移和内力变化是缓慢平稳的；
2）保证临时支撑体系的安全性，单个支撑点的最大压力不能超过刚性支撑的极限承载力，保证不会发生整体失稳；
3）主体结构的应力状态应在弹性范围内变化并逐渐趋于设计受力状态，结构的内力和变形应控制在设计范围内，避免构件发生强度破坏、超过设计规定的挠度及裂缝；
4）临时支撑体系的拆除方案应安全可靠，同时易于控制和操作；大跨度结构卸载完成后，主体结构的残余内力最小；
5）在满足以上条件的基础上，步骤应尽可能少，每次卸载下降位移尽可能大，简化施工过程。
2卸载顺序模拟分析
结合模拟计算结果，大跨度结构的卸载采用“位移和受力控制兼备，以位移控制为主”的主要控制思路，确定采用对称分步、循环微量下降的小位移卸载方法；卸载模型采用大跨度结构转换结构混凝土强度达到设计强度的模型（即大跨度结构空间受力体系已形成）。
对型钢支撑胎架的卸载过程中优先释放反力最大的支撑点的反力，最后释放反力最小的支撑点。
由模拟分析结果可知，sup3、sup4、sup5、sup6四个支撑点卸载过程中位移较大，优先对其进行卸载。
但这些点卸载位移均在7mm以上，一次性完全卸载无法保证位移和内力的缓慢平稳变化，必须进行分步卸载，具体卸载过程如下所示：
表5.5卸载流程表
卸载步骤
内容
备注
-
短立柱切割100mm
间隔15分钟，临时支撑由短立柱受力转化到砂箱受力
1
sbx4、sbx6排砂下降2mm
间隔15分钟，结构内力重分布
2
bx4、sbx6排砂下降2mm
间隔15分钟，结构内力重分布
3
sbx1、sbx7排砂至结构脱离
间隔15分钟，结构内力重分布
4
sbx2、sbx8排砂至结构脱离
间隔15分钟，结构内力重分布
5
sbx4、sbx6排砂至结构脱离
间隔15分钟，结构内力重分布
6
sbx3、sbx5排砂下降3mm
间隔15分钟，结构内力重分布
7
sbx3、sbx5排砂至结构脱离
间隔15分钟，结构内力重分布
8
支撑点拆除。
大跨度混凝土结构卸载施工工法
图5.5卸载换位平面示意图
5.6卸载操作及监测
在现场施工前设置卸载总指挥部，卸载工作的每一步均由卸载总指挥部下达指令。
指挥部下设置卸载操作组、数据监测组、观测组等。
图5.6-1卸载总指挥部下达指令
1切割短立柱
为确保卸载工作效率和卸载操作开始阶段具有良好的缓慢同步效果，短立柱分两次切割完成。
第一次切割每组胎架顶部短立柱使顶部与砼间脱离100mm，仅留下每组胎架顶部内侧一根短立柱。
第二次切割短立柱即是卸载工作开展的第一步，要求由每个胎架上安排一名气焊工和一套氧炔焰设备，在统一指挥下，对短立柱同步进行切割50mm。
短立柱切割顺序：
先切割两侧翼缘板，然后沿着翼缘板向腹板中心方向进行切割，切割到腹板剩下三分之一高度时，监测人员开始进行监测结构变化情况。
大跨度混凝土结构卸载施工工法
图5.6-2胎架顶部细部构造示意图及现场短立柱切割
2砂箱排沙卸载
短立柱切割后，监测人员所监测的数据信息判定无异常情况前提下，即可进行砂箱排砂工作。
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