大悬挑重型钢结构二次卸载自创新技术

大悬挑重型钢结构二次卸载自创新技术1前言1.1重型钢结构在超高层大跨度、大悬挑建筑结构中是主要结构骨架形式之一，超强的结构能力使各种建筑形式得以实现，有很高的安全性和耐久性。在大跨度、大悬挑的结构施工时，一般都需要支承架，由于结构自重大，支承架及基础需要专门设计。另一方面支承架拆除即卸载过程，结构自重及相关荷载由支承架转移给结构体系，同时形变完成。这个过程既要考虑结构允许形变，又要考虑形变对建筑的影响，是结构施工中的一个关键环节。悬挑17m12m四层屋面1.2我公司施工的XX市东部新城中心商务区B－4商务楼工程，在南楼的四层屋面上空12m处悬挑了二层结构，悬挑跨度17m。如图1.2所示。项目特殊的建筑结构形式对施工方法要求创新，我企业根据工程特点，在采用铸钢节点技术的重型钢结构施工中，形成独特的大悬挑重型钢结构二次卸载工法。图1.2XX市东部新城中心商务区B－4商务楼效果图悬挑17m12m四层屋面2新技术特点2.1降低对支承架及基础的承载力要求。2.2钢结构及与其上的钢筋混凝土楼板、墙体等由支承架分步承担。通过第一次卸载，钢结构自重由钢结构自身来承受。第二次卸载时变形减少：楼屋面板部分变形（挠度）仅由该部分自重引起并在第二次卸载中完成。楼屋面混凝土结构因变形减小，由此产生的拉应力也减小，降低屋面、楼面、墙面开裂的可能性，让使用者更有安全感。2.3二次卸载既达到了上述两点目的，又避免了钢结构完成即完全卸载，钢筋混凝土楼屋面结构、墙体施工时由于施工荷载及材料自重产生的不均匀及不对称而引起的钢结构扭曲及变形。3适用范围本工法适用于采用重型钢结构为梁柱、钢筋混凝土楼层面受力体系的大悬挑、大跨度钢结构、钢筋混凝土楼屋面、墙体自重占结构总重比例大的结构。运输道路、施工场地受限制，在支架基础承载能力受限制的情况下，此工法的优越性更为显著。且能减小钢筋混凝土结构楼屋面、墙体等内部拉应力，避免开裂。4工艺原理4.1支承架分步承担钢结构与钢筋混凝土结构楼屋面重量，形变分二次完成，减小楼屋面结构内由此造成的内拉应力，提高抗裂能力及安全感,如图。第一步：重钢结构骨架体系完成后，进行第一次卸载，使钢结构自重骨架承担，支架仍要与钢结构紧密接触；第二步，钢筋混凝土楼面、屋面及部分装修墙体等所有相关工作完成后，进行第二次卸载。这样在第一次卸载后，支承架只承担第二步施工内容所有自重。这样降低对支架及支架基础的承载力要求。图4.3.1二次卸载原理示意图图4.3.1二次卸载原理示意图悬挑结构的总挠度等于第一次卸载与第二次卸载时产生的挠度。挠度会引起钢筋混凝土结构及墙体产生内拉应力而导致开裂。二次卸载中的第二次产生的挠度才会对钢筋混凝土楼板、屋盖、墙体产生内拉应力，这个应力就要比一次卸载小得多，减少比例决定于钢结构与楼屋面墙体结构的重量比例，一般会在1：1.2～1.5之间，应力会减少40%左右。4.2结构系统应力应变实际和理论比对。控制卸载过程，掌握结构内应力状态。整个钢结构在卸载过程中建立应力、应变、位移测试系统，检测数据与理论计算数据进行比对，以监测卸载过程中内力变化是否有异常情况，是否与设计相符，以控制卸载过程。通过卸载过程数据，估算结构实际总刚度，调整总挠度的数值。结构挠度与卸载时千斤顶的力P，存在关系，通过预设数值关系，利用过程数据，估算出实际总刚度、实际总挠度，了解结构总刚度（楼面结构完成后提高）的变化。5施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程：临时承重系统的设计与施工→钢结构施工完成→检测系统安装完成→第一次卸载（结构同步检测应力、应变、挠度等）→检测数据与设计要求校核→楼面、屋面、墙体部分施工完成→第二次卸载（结构同步检测应力、应变、挠度等）→检测数据与设计要求校核→拆除临时承重系统5.2二次卸载操作要点5.2.1临时承重架的设计大型的悬挑结构一般自重很大，施工支架是重要的施工技术措施，在地面上空悬挑则需验算基础承载力。图转换平台设计计算书及示意图在结构上空悬挑基础应设在结构柱上，如果支柱数量少，悬挑结构重量大，可能会超过（柱）或基础的承载力，二次卸载则可以把悬挑结构重量分开，分别由钢结构、支架基础承担。以使重钢结构重量直接传递到基础。图转换平台设计计算书及示意图转换平台设计：柱位与钢结构重心不在同一位置，需根据力学特征设置一个转换平台。对特别复杂的结构，可委托设计单位设计。如图5.2.1。5.2.2卸载工具支座——卸载箱设计悬挑结构与承重支架之间需要设计卸载工具式支座。支座高度能调节，卸载时间需要用液压千斤顶，千斤顶能放置其中，故简称“卸载箱”。卸载高度能调节，简单的可直接用多块楔形钢板叠合，同时有固定措施。楔形厚度组成满足各种挠度值的调节。如图。5.2.3同步卸载液压千斤顶系统设计图5.2.2卸载箱示意图图5.2.2卸载箱示意图5.2.4钢结构施工完成后第一次卸载前技术准备1全部焊缝的（超声波、X光）检测2卸载的力学计算设计和专业检测单位是主要技术支持单位，卸载前需设计提供第一次卸载后钢结构受检测主要的内部应力，以便卸载后与检测数据比对。3卸载方式的力学计算（卸载力学计算简图见图）卸载时需将外端略顶起，以使能抽出楔形板。需设计提供上抬1mm需要的力值，以及第一次卸载时理论总挠度。1)控制速率小于1mm/2分钟，（由每个卸载千分表和计时器的读数计算得出）2)上抬1mm后，抽板厚度（由钢垫板厚度组成）3)总挠度修正，总刚度计算（以XX东部新城B－4商务楼为例，即一榀上两点卸载）上抬1mm，两点读数下降，时，两点读数图5.2.4卸载力学计算简图读数时机图5.2.4卸载力学计算简图注：表示：第2点在上抬1mm时读数。点位置对理论总挠度进行修正即通过卸载过程推算出实际总刚度。4)再抽当即卸载值预留5mm的挠度，以确保支架与钢结构处于顶紧状态，继续卸载，读数。与5mm比较，差距小于5%。说明卸载过程实际与理论符合性好，如果差异大，则由杆件应力应变数据与设计数据比较，如果符合作为卸载完成指标，两方面数据均为控制依据，有任何符合性差的情况，卸载完成后均应分析原因。5.2.4钢结构的整个系统的应力、应变、位移（挠度）的检测系统的建立、调试结束，并将所有的初始值记录完成。按计划进行卸载，警戒，无关人员不得在卸载影响范围作业，以免影响和干扰工作，或引起其他相关问题，人员就位，读数归零。由总指挥下达各类操作命令，技术人员把数据及时输入计算机，快速反馈。由总指挥下达命令根据数据作出卸载完成的命令。5.2.6整理数据5.2.7第二次卸载1）钢筋混凝土楼屋面结构、墙体以及主要的基层装修完成并达到规定强度后进行卸载。2）卸载技术准备与第一次一样。由设计提供上抬1mm需要的力值（受检测构件的应力、应变值），第二次卸载产生的理论总挠度，控制卸载速率小于1mm/2分钟。抽除理论总挠度的1/2。上抬1mm时，卸载点力下降到时，卸载点力同第一次，计算抽除+5mm，下降到K]2时，则卸载成功，同时对构件实测的应力应变与理论值比较。双重控制比较。卸载组织与程序同第一次。3)卸载平台的拆除4)在设计卸载平台时必须设计拆除平台的固定措施和设备放置措施。以及结构底部装修辅助措施。6材料与设备6.1主要材料见下表6.1表6.1主要材料一览表序号材料名称用途使用阶段1卸载箱（8只）置放千斤顶及受力力转换装置安装及卸载阶段2顶平板使卸载箱与钢结构构紧密接触安装及卸载阶段3楔形板控制卸载高度安装及卸载阶段4限位板防止楔形板挤压滑滑移安装及卸载阶段5润滑油润滑楔形板，减少少摩擦力安装及卸载阶段6.2主要设备见下表6.2表6.2主要设备一览表序号设备名称用途使用阶段1UT超声波探伤仪仪焊缝缺陷检测卸载前准备阶段2液压千斤顶（8只只）卸载起重设备卸载阶段3液压系统（1套）卸载起重设备卸载阶段4百分表（8只）竖向位移测量卸载阶段5秒表计时卸载阶段6应力应变监测系统统钢结构内力监测卸载及正常使用阶阶段7质量控制7.1卸载前钢结构质量控制钢结构安装完成后第一次卸载前，须对钢结构施工质量进行预验收，为钢结构卸载提供必须的安全、技术前提。采用经纬仪复核轴线；采用水平仪复核标高及结构整体水平度；采用UT探伤仪对焊缝进行无损探伤并取得合格报告。组织工程参建各方进行预验收，并取得经各方确认的预验收合格证书。7.2卸载过程钢结构质量控制第一次卸载完成后，以设计理论数值及应力应变监测系统数据为依据，并辅助第一次卸载后位移，分析结构受力状态及空载状态下的结构安全储备，并提交设计单位审核。第二次卸载前，楼屋面混凝土、装饰基层及其他附加荷载完成即满载状态下，采用经纬仪复核轴线及平面扭曲度；采用水平仪复核标高及结构整体水平度。第二次卸载前，重新分析应力应变监测系统数据，并分析应力应变变化趋势及幅度，并提交设计单位审核。第二次卸载完成后，以设计理论数值及应力应变监测系统数据为依据，并辅助第二次卸载后位移，分析结构受力状态及空载状态下的结构安全储备，并提交设计单位审核。叠加二次卸载总挠度+，并与设计提供的总挠度值进行对比，并提请设计单位复核、验算。7.3正常使用阶段钢结构质量控制二次卸载完成且所有内部、外部装饰完成后，分析应力应变监测系统数据为依据，并分析应力应变变化趋势及幅度，并提交设计单位审核。竣工验收后，结构进入正常使用阶段，定期不定期对应力应变监测系统数据为依据进行分析，并分析应力应变变化趋势及幅度，如出现不正常变化，立即通知设计单位分析原因并及时解决。8安全措施8.1建立项目部安全生产管理体系及组织流程、信息反馈系统等程序，并设立现场卸载总指挥，保证信息、指挥系统通畅。8.2进入现场，一律佩带安全帽。同时遵守各项安全制度，做到“三不伤害”:不伤害别人、不伤害自己、不被他人伤害。8.3高空作业人员要进行体格检查，患有心脏病及高血硬化者不得攀高作业。高空作业必须佩备好安全带，并铺设安全网，作业人员应在操作平台上操作。8.4二次卸载前后，必须进行施工方案的验算，确保卸载过程安全。8.5二次卸载过程中，必须密切监视各个液压千斤顶的同时同步性能，确保结构自身安全和液压千斤顶系统的安全。8.6各种用电装置必须设置漏电保护开关，特殊设备应有可靠的接地装置，严禁无证人员操作电器设备。8.7卸载过程中，在卸载区域一定范围内设置警戒区，禁止与卸载无关人员在危险区逗留。9环保措施“大悬挑重型钢结构二次卸载”施工技术既降低了临时承重架含钢量和地基基础加固成本，又减少了屋面、楼面、墙面开裂的可能性。施工时液压千斤顶噪音很小，对环境无不良影响。10效益分析10.1本工程二次卸载工法的应用，取得了良好的社会效益和经济效益。10.2本悬挑17m段钢结构工程采用二次卸载施工工法，不但大大降低了临时承重架含钢量和地基基础的加固成本，而且有效的减少了楼面、屋面及室内砌体结构的内拉应力，消除了因楼面、屋面及室内砌体结构开裂而造成的额外成本开支。为业主单位节约了约150万投资。提高了结构的安全感及耐久性。11应用实例