大跨度混凝土悬挑结构卸载施工工法

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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。

大跨度混凝土结构卸载施工工法

3 所有物资、机具、人员都准备完

毕，现场具备施工条件。

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

x u 、y u 、z u ，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i j u u ∆=∆。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0F ≤;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KU F =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

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大跨度混凝土结构卸载施工工法

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：①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。②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。③无法模拟临时支撑体系的回弹对卸载过程的影响。

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：①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。②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。