一种拱形结构“零变形”状态提升施工方法
技术领域
本发明涉及建筑结构施工技术领域,特别涉及一种大跨度拱形建筑钢结构的施工方法。
背景技术
自古罗马时期以来,拱形结构以其良好的受力性能、优美的建筑形态,在桥梁及建筑结构中,得到广泛应用。随着社会的发展和科学技术的进步、新材料新工艺的使用、先进计算理论和分析工具的出现,现代建筑,特别是空间大跨结构的建筑,正在向超高、大跨、造型独特等方向发展,而拱形结构正是现代建筑中最常用的结构类型之一。使用大跨度拱形结构作为建筑结构的承重结构形式,可以获得大面积无柱室内空间,因而在一些对空间有特殊要求的建筑工程中,拱形结构普遍受到业主和设计师的青睐。
拱形结构在安装时会出现以下两个问题:一是吊装时构件本身因自重作用会发生变形,一般为拱跨中向下挠、两端向外变形,这将严重影响安装精度;二是此类构件在安装过程中,将对两端的支撑结构产生较大的水平作用力,这将大幅度增大临时设施或下方支承结构的建造费用。
对于大跨度拱形结构的施工,以往的施工方法一般为搭设与结构等高的支撑架系统,采用大吨位吊装机械,将拱形结构分段吊装,在高空对接、合龙。该方法存在施工精度较差、作业面较高安全性差、施工质量不易保证及施工费用过高等缺点。
本发明基于自平衡原理,在拱形结构下方附加柔性构件形成内力自平衡结构,并通过张拉该柔性构件,使拱形结构保持设计形态,在自平衡状态下进行提升施工。本发明所述的施工方法,解决了当前大跨度拱形结构施工工艺存的缺点,是施工技术领域的一次较大进步。
发明内容
本发明的目的是针对上述大跨度拱形结构安装过程中的难题,提供一种安装过程中拱形结构基本保持设计形状、不会对支撑结构产生较大水平作用力的安装方法,以确保安装过程的安全可靠和安装精度,降低非线性施工过程在结构杆件内产生的附加应力,并减少临时措施使用量,减少甚至避免使用大吨位吊装机械,节省施工措施费用。
本发明的技术方案可通过以下的技术措施来实现:
1、一种拱形结构“零变形”状态提升施工方法,其特征在于施工过程包括如下步骤:
第一步、将大跨度拱形结构预先进行分段,分成两侧的落地部分拱形结构和中间的提升施工单元;
第二步、搭设若干支撑胎架,在支撑胎架上原位拼装提升施工单元,同时安装落地部分拱形结构;
第三步、在提升施工单元的两端点之间安装水平钢绞线和水平千斤顶,并张拉水平千斤顶,张紧水平钢绞线;
第四步、在落地部分拱形结构和提升施工单元分段点处搭设竖向的提升架,在提升架顶部安装提升千斤顶,在提升千斤顶和提升施工单元端点之间安装竖向提升钢绞线;
第五步、分级依次交替张拉水平钢绞线和竖向提升钢绞线,使提升施工单元脱开支撑胎架,根据变形测量结果,对水平钢绞线进行张拉,使提升施工单元两端点不发生相对水平变形;
第六步、正式提升,将提升施工单元提升到预定高度;
第七步、提升施工单元与两侧相邻的落地部分拱形结构对接,形成大跨度拱形结构;
第八步、分级卸载并拆除水平千斤顶、水平钢绞线、提升千斤顶、竖向提升钢绞线、提升架,提升施工完成。
所述的第一步中,两侧的结构分段点对称,且分段点位于同一标高。
所述的水平钢绞线和竖向提升钢绞线通过耳板连接,提升施工单元的提升吊点与水平张拉节点为同一处。
所述第八步中,优先卸载水平钢绞线,再卸载竖向提升钢绞线。
所述第八步中,第二次提升水平钢绞线和第二次提升竖向钢绞线分级进行卸载。
本发明设置水平钢绞线的目的是与拱形结构构成内力自平衡结构,同时通过张拉水平钢绞线,使拱形结构保持设计形态,即两端点不发生水平方向的变形。在此状态下,拱形结构处于自平衡态,下方的支撑结构仅受竖向力,不受水平推力作用;对自平衡态的拱形结构进行吊装或提升等施工过程中,拱形结构也保持设计形态,不发生水平变形,便于施工变形控制和保证施工质量。故本发明在步骤5中,明确水平钢绞线的张拉控制原则为提升施工单元两端点不发生相对水平变形。施工时需要以计算分析的水平拉力为参考,根据现场实测的变形结果,对水平钢绞线张拉力进行调整。
在本发明所述的施工方法中,当拱形结构体量较大时,可将提升施工单元(4)进行分段,通过增加提升施工次数的方法,完成提升施工单元(4)的拼装,以采取两次提升为例,其施工过程具体包括如下步骤:
当提升施工单元尺量较大时,将提升施工单元进行分段,其步骤如下:
第一步、将提升施工单元进行分段,分成第二落地部分拱形结构和第二提升施工单元;
第二步、搭设若干支撑胎架,在支撑胎架上原位拼装第二提升施工单元,同时安装第二落地部分拱形结构;
第三步、在第二提升施工单元的两端点之间连接第二水平钢绞线,并在两端点处安装第二水平千斤顶,并张拉第二水平千斤顶,张紧第二水平钢绞线;
第四步、在第二落地部分拱形结构和第二提升施工单元分段点处搭设竖向的第二提升架,在第二提升架顶部安装第二提升千斤顶,在第二提升千斤顶和第二提升施工单元端点之间连接第二竖向提升钢绞线;
第五步、分级依次交替张拉第二水平钢绞线和第二竖向提升钢绞线,使第二提升施工单元脱开支撑胎架,根据变形测量结果,对第二水平钢绞线进行张拉,使提升施工单元两端点不发生相对水平变形;
第六步、正式进行第一次提升,将第二提升施工单元提升到预定高度;
第七步、第二提升施工单元与两侧相邻的第二落地部分拱形结构对接,形成大跨度拱形结构;
第八步、安装水平千斤顶和水平钢绞线;安装提升千斤顶和竖向提升钢绞线,分级张拉交替水平钢绞线和竖向提升钢绞线,同时分级卸载第一次提升的水平钢绞线和竖向提升钢绞线;
第九步、拆除第一次提升的辅助设施,第二水平千斤顶、第二水平钢绞线、第二提升千斤顶、第二竖向提升钢绞线、第二提升架;根据变形测量结果,对水平钢绞线进行张拉,使提升施工单元两端点不发生相对水平变形;
第十步、进行第二次提升施工,步骤同权利要求1中的第六步~第八步。
所述步骤8中,第一次提升卸载和第二次提升加载的过程中,应依次张拉水平钢绞线、张拉竖向提升钢绞线、卸载第二水平钢绞线、卸载第二竖向提升钢绞线。
所述步骤8中,第一次提升卸载和第二次提升加载的过程中,应分级进行,其中水平钢绞线和竖向提升钢绞线分三级进行张拉,依次张拉至额定拉力的50%、80%、100%;第二水平钢绞线和第二竖向提升钢绞线分三级进行卸载,依次卸载至额定拉力的50%、20%、0%。
本发明在上述两次提升施工中,第一次提升卸载和第二次提升加载是同时进行的,施工时通过该过程将第一提升单元的重量由第一次提升的提升架转移至第二次提升的提升架上,同时该过程的每次加载或卸载都将导致结构、支撑系统产生变形。本发明中,应依次先张拉第二次提升水平钢绞线、张拉第二次提升竖向提升钢绞线,再卸载第一次提升水平钢绞线、卸载第一次提升竖向提升钢绞线。同时本发明还规定,第二次提升加载和第一次提升卸载需要分三级进行,其中第二次提升水平钢绞线和竖向提升钢绞线依次张拉至额定拉力的50%、80%、100%,第一次提升水平钢绞线和竖向提升钢绞线依次卸载至额定拉力的50%、20%、0%。本发明通过分级循环加载,可以加强施工过程的可控性,避免施工单元产生较大的变形,使施工过程中力的转换逐步、均匀、稳定进行,保证结构构件在施工过程中处于低应力状态。
由于建筑结构的特殊性,施工过程是一个非线性过程,其变形、内力变化等具有叠加效应,因此本发明还采用有限元计算软件,对结构非线性施工全过程进行仿真分析,根据施工过程中结构的变形情况,确定结构的预变形值,在步骤2的拼装阶段反向施加于结构,以保证施工完成结构变形后,结构的标高与理论设计值一致,满足设计要求。
本发明需要通过施工全过程仿真分析,确定每次提升施工的水平钢绞线和竖向钢绞线的最大拉力,以根据该拉力大小选择提升器等设备的型号,和钢绞线的规格等。
本发明还可以进一步做以下改进:由于施工条件的复杂性,仅靠非线性仿真分析,难以模拟现场存在的诸多不可见因素,因此还可以在施工过程中对结构的位移、应力等进行实时监测,以获得结构的实际变形和受力情况。
本发明具有以下有益效果:
1、通过设置并张拉水平钢绞线,与大跨度拱形结构施工单元形成内力自平衡结构,使拱形结构两端点不发生水平变形,保持设计形态。拱形结构在“零变形”状态进行施工时,支撑系统仅受竖向轴力作用,该方法可以减小甚至消除拱形结构对支撑结构产生的水平推力,使拱形结构以设计形态进行拼装安装,可以提高拱形结构拼装、对接的精度。
2、根据施工条件和项目特点,将大跨度拱形结构分成若干分段,通过附加水平拉索形成内力自平衡结构后,以“零变形”状态进行累积提升。该方法在施工过程中,拱形结构均保持设计形态,即以设计形状进行施工、对接,与其他施工方法相比,可以减小非线性施工过程在结构杆件内产生的附加应力,不会对结构的安全富余量造成大幅度的削弱。
3、将大跨度拱形结构分成若干段进行施工,该方法可以降低拱形结构的作业面高度,提高施工过程的安全性,有效提高施工质量,节省施工措施费用。
4、采用施工全过程仿真分析技术,对每一施工步进行分析,确保提升施工过程中主结构杆件处于弹性受力状态,并根据计算结果确定结构的预变形值,保证结构安装完成后的控制标高等尺寸满足设计要求。
5、本发明所述施工方法,拱形结构通过液压提升的方法进行高度方向的提升施工,不需要使用大吨位吊装机械,也不需要搭设与结构等高、数量较多的支撑系统,对现场场地的占用较少,可以提高施工效率,降低施工措施费用。
6、在施工过程中对结构进行变形、应力的监测,以获得结构实际的变形和受力情况,保证施工过程中结构安全性的同时,现场实测结果与非线性施工全过程仿真分析计算结果进行比较,检验施工过程仿真分析的正确性。以上监测内容贯穿于整个施工过程。
附图说明
图1是本发明所述较佳实施例一的步骤1~2施工示意图;
图2是本发明所述较佳实施例一的步骤3~4施工示意图;
图3是本发明所述较佳实施例一的步骤5施工示意图;
图4是本发明所述较佳实施例一的步骤6施工示意图;
图5是本发明所述较佳实施例一的步骤7施工示意图;
图6是本发明所述较佳实施例一的步骤8施工示意图;
图7是本发明所述较佳实施例二的步骤1~2施工示意图;
图8是本发明所述较佳实施例二的步骤3~4施工示意图;
图9是本发明所述较佳实施例二的步骤5施工示意图;
图10是本发明所述较佳实施例二的步骤6施工示意图;
图11是本发明所述较佳实施例二的步骤7施工示意图;
图12是本发明所述较佳实施例二的步骤8施工示意图;
图13是本发明所述较佳实施例二的步骤9施工示意图;
图14是本发明所述较佳实施例二的步骤10施工示意图;
图15是本发明所述较佳实施例二的步骤11施工示意图;
图16是本发明所述较佳实施例二的步骤12施工示意图。
具体实施方式
结合附图,对本发明较佳实施例做进一步详细说明。
较佳实施例一:本发明所述的一种大跨度拱形结构自平衡态累计提升施工方法的具体实施方式如图1至6所示,本实施例中,建筑物为横剖面为半圆形的大跨度拱形结构,采用倒三角主拱桁架+次桁架+单层网壳屋檩的结构体系。因结构跨度适中,故分为三段,采取一次提升的施工方法。具体包括以下步骤:
(1)、根据施工条件和结构特点,将大跨度拱形结构2预先进行分段,分成两侧的落地部分拱形结构3和中间的提升施工单元4。
(2)、搭设若干支撑胎架6,在支撑胎架6上原位拼装提升施工单元4,同时安装落地部分拱形结构3;施工中需要对拼装胎架、支撑架等进行设计,保证其不妨碍提升施工的进行。
(3)、在提升施工单元4的两端点之间连接水平钢绞线7,并在两端点处各安装水平千斤顶15,并张拉水平千斤顶15,张紧水平钢绞线7。水平千斤顶15是水平钢绞线7的张拉设备;
(4)、在落地部分拱形结构3和提升施工单4分段点处搭设竖向的提升架5,在提升架5顶部安装提升千斤顶16,在提升千斤顶16和提升施工单元4端点之间连接竖向提升钢绞线8。提升千斤顶16是竖向提升钢绞线8的张拉设备。
(5)、试提升。首先张拉水平钢绞线7至额定预拉力的50%,然后张拉竖向提升钢绞线8至额定提升力的50%;重复以上过程,依次加载至额定提升力的80%、100%,使提升施工单元4脱开支撑胎架6的距离200mm。最终根据提升施工单元4两端点的变形测量值,根据使提升施工单元4两端点不发生相对水平变形为原则,对水平钢绞线7进行补张拉。张拉完成后,使提升系统保持该状态4~12小时。
(6)、对提升施工单元4、提升架5、水平千斤顶15、提升千斤顶16等进行全面检查无误后,正式进行提升施工,将提升施工单元4提升到预定高度;提升过程中,每提升5~10m,应将各提升吊点进行调平,以消除累积的提升不同步值,避免单个提升吊点受力过大。提升过程中,需对结构、提升架的变形和应力进行监测。
(7)、提升施工单元4与两侧相邻的落地部分拱形结构3对接、补杆,形成大跨度拱形结构2。补杆时需要采取措施,对提升端口进行微调,以保证后装段的对接精度和焊接质量,对接完成后需对提升吊点附近的关键焊缝进行探伤,确保所有关键焊缝质量合格;
(8)、分级卸载水平钢绞线7、竖向提升钢绞线8。为保证卸载过程的平稳、缓慢进行,以保证卸载过程的安全性,卸载过程分两级进行。首先卸载水平钢绞线7至额定预拉力的50%,再卸载竖向提升钢绞线8至额定提升力的50%,最后依次卸载并拆除水平钢绞线7、卸载并拆除竖向提升钢绞线8。卸载完成后拆除水平千斤顶15、提升千斤顶16、提升架5等。大跨度拱形结构施工完成。
较佳实施例二:如图7至图16所示,本实施例中,建筑物为横剖面为半圆形的大跨度拱形结构,采用倒三角主拱桁架+次桁架+单层网壳屋檩的结构体系。因结构跨度较大,故将拱形结构分为五段,分成两次提升进行施工。具体包括以下步骤:
(1)、根据施工条件和结构特点,将大跨度拱形结构2进行分段,分成落地端主结构3、第二提升施工单元10和两侧相邻的第二落地部分拱形结构9,共计五段;
(2)、搭设支撑胎架12原位拼装第二提升施工单元10的拱形结构,同时在地面拼装第二落地部分拱形结构9,用吊装机械将其吊装至支撑胎架上,本实施例中,直接利用第一次提升施工的第二提升架11、第二次提升施工的提升架5作为第二落地部分拱形结构9的支撑架;落地部分拱形结构3则采用地面拼装、吊装机械直接吊装的方法进行安装;施工中需要对拼装胎架、支撑架等进行设计,保证其不妨碍提升施工的进行。
(3)、在第二提升施工单元10的两端点之间连接第二水平钢绞线13,并在两端点处安装第二水平千斤顶17,并张拉第二水平千斤顶17,张紧第二水平钢绞线13。第二水平千斤顶17是水平钢绞线13的张拉设备。
(4)、在第二落地部分拱形结构9和第二提升施工单元10分段点处搭设竖向的第二提升架11,在第二提升架11顶部安装第二提升千斤顶18,在第二提升千斤顶18和第二提升施工单元10端点之间连接第二竖向提升钢绞线14。提升千斤顶18是第二竖向提升钢绞线14的张拉设备。
(5)、第一次提升试提升,分级依次交替张拉第二水平钢绞线13和第二竖向提升钢绞线8。首先张拉第二水平钢绞线13至额定预拉力的50%,然后张拉第二竖向提升钢绞线14至额定提升力的50%;重复以上过程,依次加载至额定提升力的80%、100%,使第二提升施工单元10脱开支撑胎架12的距离200mm。最终根据第二提升施工单元10两端点的变形测量值,根据使第二提升施工单元10两端点不发生相对水平变形为原则,对第二水平钢绞线13进行补张拉。张拉完成后,使提升系统保持该状态4~12小时。
(6)、对第二提升施工单元10、第二提升架11第二水平千斤顶17、第二提升千斤顶18等进行全面检查无误后,正式进行第一次提升,将第二提升施工单元10提升到预定高度;提升过程中,每提升5~10m,应将各提升吊点进行调平,以消除累积的提升不同步值,避免单个提升吊点受力过大。提升过程中,需对结构、提升架的变形和应力进行监测。
(7)、第二提升施工单元10与两侧相邻的第二落地部分拱形结构9对接、补杆,形成提升施工单元4。补杆时需要采取措施,对提升端口进行微调,以保证后装段的对接精度和焊接质量,对接完成后需对提升吊点附近的关键焊缝进行探伤,确保所有关键焊缝质量合格。
(8)、为避免卸载第一次提升的第二水平钢绞线13和第二竖向提升钢绞线14导致提升施工单元4产生较大的跨中向下挠、两端向外的变形,在施工时应先安装并张紧水平钢绞线7和竖向提升钢绞线8,然后依次张拉提升水平钢绞线7至额定张拉力的50%、张拉提升竖向钢绞线8至额定提升力的50%、卸载第一次提升水平钢绞线12至额定预拉力的50%、卸载第二竖向提升钢绞线14至额定提升力的50%,之后依次张拉水平钢绞线7至额定张拉力的80%、张拉竖向提升钢绞线8至额定提升力的80%、卸载第二水平钢绞线13至额定预拉力的20%、卸载第二竖向提升钢绞线14至额定提升力的20%,最后张拉水平钢绞线7至额定张拉力的100%、张拉竖向钢绞线8至额定提升力的100%、卸载并拆除第二水平钢绞线13、卸载并拆除第二竖向提升钢绞线14,完成第一次提升卸载和第二次提升加载。
本发明所述施工方法通过循环、分级加载,使结构平稳、缓慢完成第一次提升卸载和第二次提升加载,实现第二提升施工单元10的重量由第二提升架11转移至提升架5。卸载完成后拆除第二提升千斤顶18、第二竖向提升钢绞线14、第二提升架11等。
(9)、第二次提升试提升。首先张拉水平钢绞线7至额定预拉力的50%,然后张拉竖向提升钢绞线8至额定提升力的50%;重复以上过程,依次加载至额定提升力的80%、100%,使第二次提升施工单元4脱开下方支撑杆件200mm。最终根据第二次提升施工单元4两端点的变形测量值,根据使第二次提升施工单元4两端点不发生相对水平变形为原则,对水平钢绞线7进行补张拉。张拉完成后,使提升系统保持该状态4~12小时。
(10)、对提升施工单元4、提升架5、水平千斤顶7、提升千斤顶8等进行全面检查无误后,正式进行第一次提升,将提升施工单元4提升到预定高度;提升过程中,每提升5~10m,应将各提升吊点进行调平,以消除累积的提升不同步值,避免单个提升吊点受力过大。提升过程中,需对结构、提升架的变形和应力进行监测。
(11)、提升施工单元4与两侧相邻的落地端拱形结构3对接、补杆,形成大跨度拱形结构2。补杆时需要采取措施,对提升端口进行微调,以保证后装段的对接精度和焊接质量,对接完成后需对提升吊点附近的关键焊缝进行探伤,确保所有关键焊缝质量合格;
(12)、分级卸载水平钢绞线7、竖向提升钢绞线8。为保证卸载过程的平稳、缓慢进行,以保证卸载过程的安全性,卸载过程分两级进行。首先卸载水平钢绞线7至额定预拉力的50%,再卸载竖向钢绞线8至额定提升力的50%,最后依次卸载并拆除水平钢绞线7、卸载并拆除竖向钢绞线8。卸载完成后拆除水平千斤顶15、竖向提升千斤顶16、提升架5等。大跨度拱形结构施工完成。
上述实施例仅用于解释说明本发明的构思,而非对本发明权利保护的限定,凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动,比如改变分级加载的加载比例、减少或增加提升施工的次数等,均应落入本发明的保护范围。