CN114412228B - 一种用于既有结构受力转换的托换系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于既有结构受力转换的托换系统及其控制方法，包括钢支撑立柱、钢梁和轴力伺服系统，钢梁架设在结构顶板下，结构底板上架设轴力伺服系统，钢支撑立柱支顶于轴力伺服系统与钢梁之间，轴力伺服系统包括托换支座与控制箱，托换支座上设置有测距传感器和压力传感器，测距传感器和压力传感器分别与控制箱连接。通过轴力伺服系统同步加载及钢支撑立柱贯通架设，对既有结构体系竖向顶紧，从而实现体系全过程、整体性受力由原支撑体系向临时支撑体系的转换；改造完成形成新结构体系后，通过同步按比例卸载，实现由临时支撑体系向新结构体系的受力转换及临时支撑快速拆除工作，避免卸载不同步导致的冲击荷载及支撑体系的渐进性破坏。

Description

一种用于既有结构受力转换的托换系统及其控制方法

技术领域

本发明属于既有结构墙柱托换领域，尤其是涉及一种用于既有结构受力转换的托换系统及其控制方法。

背景技术

城市地下空间的开发利用越来越广泛，地下通道、地下商场、地铁车站等等地下结构物的建造、改造，以及新旧地下结构空间的连通都涉及到墙柱（竖向承重结构）的托换。

竖向承重结构的托换是通过改变荷载传递路径的方式实现结构体的安全托换，最常见的托换类型包括立柱托换、墙体托换及整体结构托换。托换前上部结构荷重通过托换设备的机械锁来承担，托换时通过千斤顶将上部结构顶推，机械锁解锁并退至卸载状态，再通过全部或分区同步卸载将上部结构置于正式承重构件。

在一些发达城市，地铁（包括已建和新建）覆盖范围广，地下商场的选址通常紧邻地铁车站。因此，在地铁车站旁建地下商场，或者在地下商场旁建地铁车站，实现地下建筑空间连通，都需要将原有地下墙改建成立柱。施工做法是在靠近地下墙一米左右的各层楼板下设置钢梁及临时钢柱，将荷载分层传递至基础，然后拆除地下墙，做永久立柱承载，待永久立柱达到强度后拆除临时钢柱及钢梁。

传统做法是先用千斤顶施加预应力将钢梁及钢柱与楼板顶紧，再用钢楔块填补千斤顶的位置，移出千斤顶。当钢楔块插入的瞬间，预应力就损失了一半，无法保证各个托换点的受力满足设计要求的预应力。此外，用千斤顶将钢楔块拆除时，千斤顶的顶推力过大会造成上部结构变形甚至开裂，对既有结构造成损伤。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，避免卸载不同步导致的冲击荷载及支撑体系的渐进性破坏，本发明旨在提出一种用于既有结构受力转换的托换系统及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于既有结构受力转换的托换系统及其控制方法，包括钢支撑立柱、钢梁和轴力伺服系统，所述钢梁架设在结构顶板下，结构底板上架设轴力伺服系统，所述钢支撑立柱支顶于轴力伺服系统与钢梁之间，所述轴力伺服系统包括托换支座与控制箱，所述托换支座包括千斤顶和若干机械锁，在所述托换支座上设置有测距传感器和压力传感器，所述测距传感器和所述压力传感器分别与所述控制箱连接，控制方法包括以下步骤：

S1：在托换点处的结构顶板下方架设钢梁；

S2：将轴力伺服系统和钢支撑立柱支撑在钢梁下方；

S3：通过控制箱控制各托换支座输出，利用多级加载的方式对上部载荷G_总进行支撑，并利用测距传感器和压力传感器收集各托换支座的数据，监测各个钢支撑立柱受力情况并进行调整；

S4：重新搭建承重结构，逐步释放钢支撑立柱的支撑轴力，直至结构顶板的荷载完全由新做承重结构承担；

所述步骤S3中多级加载步包括：

S31：控制托换支座输出，再检测到钢支撑立柱的轴力达到G₁后停止输出；

S32：通过对逐次递增轴力的方式控制托换支座输出，当加载至轴力达到G₁+G₂或结构顶板已达到制定位移量时停止加载；

S33：对各个钢支撑立柱的轴力与结构顶板的位移量进行监控；

S34：当监测结果触发预警时，控制箱对报警的钢支撑立柱和/或报警结构板监测范围内的钢支撑立柱进行卸载处理，调整梯度取为对应钢支撑立柱轴力的10%，至支撑轴力及结构变形达到报警值内且位移速率稳定后停止调整。

优选的，所述托换支座还包括连接法兰，若干所述机械锁以所述千斤顶为中心呈圆周分布在所述连接法兰上。

如此设置，可以分散受力点并提高结构自稳能力。

优选的，所述连接法兰由环形加劲板、三角加劲板、连接板和安装板组成；所述安装板和所述连接板通过所述环形加劲板连接，所述三角加劲板设置在所述安装板和所述连接板之间，在所述连接板上设置有与所述钢支撑立柱连接的螺栓孔，所述千斤顶和所述机械锁固定设置在所述安装板上。

如此设置，承重能力更强而且与钢支撑立柱进行连接。

优选的，所述测距传感器和所述压力传感器均安装在所述千斤顶上。

如此设置，便于对钢支撑立柱的轴力数据以及移动距离进行检测。

优选的，所述控制箱通过所述测距传感器和所述压力传感器所反馈的信号来控制所述千斤顶的输出。如此设置，能有效对各钢支撑立柱的轴力进行调节。

优选的，所述上部载荷G_总=G₁+G₂+G₃，其中G₁为结构自身重量，G₂为结构内的其他恒载，G₃为结构上的活载。

如此设置，相比于传统钢楔块填补时的预应力损失有大幅减小，保证了各个托换点的受力能满足设计要求的预应力。

优选的，在支撑过程中通过控制箱控制千斤顶对破除范围内钢支撑立柱施加预应力，并通过压力传感器实时测量千斤顶的压力值并反馈给控制箱，当出现钢支撑立柱的支撑轴力变化异常时，根据结构板位移情况调整轴力异常的钢支撑立柱附近的钢支撑立柱轴力，以轴力异常的钢支撑立柱为中心向外发散递减，递减梯度为所调整钢支撑立柱自身支撑轴力的10%，至失效支撑范围的结构顶板变形稳定或调至失效前位移值后停止，减小临时支撑预应力损失，当预应力达到原承重结构承载要求后，将机械锁设定为锁死状态，实现对原有承重结构的托换。

如此设置，防止在对原有承重结构拆除时因局部预应力变化过大导致的既有结构受损或者托换支座过载损坏。

优选的，待新做承重结构达到强度要求后，划分钢支撑立柱拆除顺序，将机械锁退至所需的变形距离以外，待所有承重结构全部托换完成后移除钢支撑立柱及钢梁，拆除机械锁和千斤顶。

如此设置，避免因卸载不同步导致的冲击荷载及支撑体系的渐进性破坏。

在钢支撑立柱拆除时通过等比例卸载的方式首先拆除新做承重结构对应范围支撑，确保临时支护体系向新做承重结构体系平稳过渡，待支撑轴力卸载完成方可拆除，并按此步骤进行后续剩余钢支撑立柱的拆除工作。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明解决了既有结构改造时的竖向支撑结构托换问题，通过轴力伺服系统同步加载及钢支撑立柱贯通架设，对既有结构体系竖向顶紧，从而实现体系全过程、整体性受力由原支撑体系向临时支撑体系的转换；改造完成形成新结构体系后，通过同步按比例卸载，实现由钢支撑立柱组成的临时支撑体系向新结构体系的受力转换及钢支撑立柱的拆除工作，避免卸载不同步导致的冲击荷载及支撑体系的渐进性破坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的使用状态图；

图2是本发明的托换支座轴测图；

图3是本发明的连接法兰轴测图；

图4是本发明的连接法兰剖视结构图；

图5是本发明的钢支撑立柱结构图。

附图标记说明如下：

1、托换支座；2、控制箱；3、钢支撑立柱；4、钢梁；5、结构底板；6、结构顶板；11、连接法兰；12、机械锁；13、千斤顶；1101、连接板；1102、三角加劲板；1103、螺栓孔；1104、环形加劲板；1105、安装板。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1

如图1-图5所示，一种用于既有结构受力转换的托换系统及其控制方法，包括钢支撑立柱3、钢梁4和轴力伺服系统，钢梁4架设在结构顶板6下，结构底板5上架设轴力伺服系统，钢支撑立柱3支顶于轴力伺服系统与钢梁4之间，轴力伺服系统包括托换支座1与控制箱2，托换支座1包括千斤顶13和若干机械锁12，在托换支座1上设置有测距传感器和压力传感器，测距传感器和压力传感器分别与控制箱2连接，控制箱2通过测距传感器和压力传感器所反馈的信号来控制千斤顶13的输出，如此设置能有效对各钢支撑立柱的轴力进行调节。

托换支座1还包括连接法兰11，若干机械锁12以千斤顶13为中心呈圆周分布在连接法兰11上，如此设置可以分散受力点并提高结构自稳能力。

连接法兰11由环形加劲板1104、三角加劲板1102、连接板1101和安装板1105组成；安装板1105和连接板1101通过环形加劲板1104连接，三角加劲板1102设置在安装板1105和连接板1101之间，在连接板1101上设置有与钢支撑立柱3连接的螺栓孔1103，千斤顶13和机械锁12固定设置在安装板1105上，如此设置承重能力更强而且与钢支撑立柱进行连接。

测距传感器和压力传感器均安装在千斤顶13上，如此设置便于对钢支撑立柱的轴力数据以及移动距离进行检测。

S1：在托换点处的结构顶板下方架设钢梁；

S2：将轴力伺服系统和钢支撑立柱支撑在钢梁下方；

S3：通过控制箱控制各托换支座输出，利用多级加载的方式对上部载荷G_总进行支撑，并利用测距传感器和压力传感器收集各托换支座的数据，监测各个钢支撑立柱受力情况并进行调整；

S4：重新搭建承重结构，逐步释放钢支撑立柱的支撑轴力，直至结构顶板的荷载完全由新做承重结构承担；

所述步骤S3中多级加载步包括：

S31：控制托换支座输出，在检测到钢支撑立柱的轴力达到G₁后停止输出；

S32：通过逐次递增轴力的方式控制托换支座输出，当加载至轴力达到G₁+G₂或结构顶板已达到制定位移量时停止加载；

S33：对各个钢支撑立柱的轴力与结构顶板的位移量进行监控；

S34：当监测结果触发预警时，控制箱对报警的钢支撑立柱和/或报警结构板监测范围内的钢支撑立柱进行卸载处理，调整梯度取为对应钢支撑立柱轴力的10%，至支撑轴力及结构变形达到报警值内且位移速率稳定后停止调整。

所述上部载荷G_总=G₁+G₂+G₃，其中G₁为结构自身重量，G₂为结构内的其他恒载，G₃为结构上的活载，如此设置相比于传统钢楔块填补时的预应力损失有大幅减小，保证了各个托换点的受力能满足设计要求的预应力。

在支撑过程中通过控制箱控制千斤顶对破除范围内钢支撑立柱施加预应力，并通过压力传感器实时测量千斤顶的压力值并反馈给控制箱，当出现钢支撑立柱的支撑轴力变化异常时，根据结构板位移情况调整轴力异常的钢支撑立柱附近的钢支撑立柱轴力，以轴力异常的钢支撑立柱为中心向外发散递减，递减梯度为所调整钢支撑立柱自身支撑轴力的10%，至失效支撑范围的结构顶板变形稳定或调至失效前位移值后停止，减小临时支撑预应力损失，当预应力达到原承重结构承载要求后，将机械锁设定为锁死状态，实现对原有承重结构的托换，如此设置防止在对原有承重结构拆除时因局部预应力变化过大导致的既有结构受损或者托换支座过载损坏。

优选的，待新做承重结构达到强度要求后，划分钢支撑立柱拆除顺序，将机械锁退至所需的变形距离以外，待所有承重结构全部托换完成后移除钢支撑立柱及钢梁，拆除机械锁和千斤顶，如此设置避免因卸载不同步导致的冲击荷载及支撑体系的渐进性破坏。

在钢支撑立柱拆除时通过等比例卸载的方式首先拆除新做承重结构对应范围支撑，确保临时支护体系向新做承重结构体系平稳过渡，待支撑轴力卸载完成方可拆除，并按此步骤进行后续剩余钢支撑立柱的拆除工作。

本实施例的工作过程：在使用时首先将钢梁4架设在当前层托换点的结构顶板6的下方，然后组装托换支座1，在连接法兰11的安装板1105上通过螺栓固定三个机械锁12和一个千斤顶13，千斤顶13设置在安装板1105的中心处，三个机械锁12围绕千斤顶13均匀设置，三个机械锁12能分散受力点并提高结构自稳能力，将托换支座1组装好后放置在若干换点下方的既有结构底板5上，然后在托换支座1上安装钢支撑立柱3，通过连接板上的螺栓孔1103将连接法兰11与钢支撑立柱3进行连接，并使钢支撑立柱3的一端与钢梁4顶紧，再将控制箱2与各个托换支座1上的压力传感器和测距传感器用线缆进行连接，同时将千斤顶13与控制箱2用油管进行连接。

接着建模分析托换过程中钢支撑立柱受力情况，通过对：结构自身重量G₁、结构内的其他恒载G₂、结构上的活载影响G₃，的考虑计算出每根钢支撑立柱受力结果。其中钢支撑立柱内力为支撑架设时的预应力取值，其后再分四级进行加载，当加载至钢支撑立柱内力为G₁+G₂时，或结构板已发生2mm位移时停止加载，此时完成第一次托换工作。其中G_总为钢支撑立柱轴力设计值，托换过程中以轴力设计值的60%作为预警值，以轴力设计值的80%作为报警值，且结构板竖向位移2mm/d为速率预警值，作为结构安全控制标准。

然后通过控制箱2上的开关启动轴力伺服系统，然后控制千斤顶13加载，通过千斤顶13的输出对破除范围内的钢支撑立柱3施加预应力，与传统钢楔块填补的方式相比减小了钢支撑立柱3预应力损失，当预应力达到原承重结构承载要求后将轴力伺服系统的机械锁设定为锁死状态，实现对原有承重结构的托换，压力传感器实时测量千斤顶13的压力值并反馈给控制箱2，然后划分原有承重结构破除范围和拆除顺序，按照顺序依次对原有承重结构进行拆除，拆除前需要先解除破除段轴力伺服系统锁死状态，并根据伺服系统轴力及位移反馈进行调整破除范围附近临时支撑轴力，在调整前首先待既有承重结构破除后，对结构板位移变化进行观察。

既有承重结构破除后，拆除范围内钢支撑立柱轴力增大，一旦出现监测预警，应加强钢支撑立柱轴力及结构板位移监测，当监测结果触发报警时，托换系统对报警的钢支撑立柱或报警结构板监测范围内的钢支撑立柱进行自动卸载处理，调整梯度取为报警的钢支撑立柱轴力的10%，至支撑轴力及结构变形达到报警值内或位移速率稳定后停止调整。特别的，当出现临时支撑失效时，根据结构板位移情况调整失效钢支撑立柱两侧支撑轴力，分级调整支撑轴力，调整梯度为失效钢支撑立柱轴力的10%，至失效支撑范围上部结构板变形稳定或调至失效前位移值，确保结构稳定后，重新架设有效支撑及支撑头，逐级施加预加荷载值至原钢支撑立柱轴力值，期间同步降低两侧支撑轴力至原轴力值。

在原有承重结构拆除过程中，应首先拆除新做承重结构（梁柱节点范围）对应范围的原有承重结构，拆除范围内的钢支撑立柱支撑轴力应等比例卸载，期间应适当增大拆除范围外钢支撑立柱的支撑轴力，确保结构板位移变化在设计允许范围，并按此步骤进行后续剩余原有承重结构拆除工作。

最后，待破除范围结构板变形稳定后，再次将破除段轴力伺服系统设定为锁死状态，再浇筑新的承重结构，待原有承重结构托换完成，且新做承重结构达到强度要求后划分钢支撑立柱3的拆除顺序，然后依次对钢支撑立柱3进行拆除，在拆除前将机械锁12退至卸载所需的变形距离以外，然后通过控制箱2控制千斤顶13进行卸载，千斤顶13可以全部或分层同步分级缓慢卸载，并通过压力传感器检测卸载时各钢支撑立柱3的轴力，避免临时支撑分批拆除过程中出现局部支撑轴力突增导致支撑失稳的风险，当卸载至结构顶板6的载荷完全由新做承重结构承担后受力体系转换完成，然后移出钢支撑立柱3和钢梁4，拆除机械锁12和千斤顶13。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种用于既有结构受力转换的托换系统，其特征在于：包括临时钢支撑立柱（3）、钢梁（4）和轴力伺服系统，所述钢梁（4）架设在既有结构顶板（6）下，结构底板（5）上架设轴力伺服系统，所述钢支撑支顶于轴力伺服系统与钢梁（4）之间，所述轴力伺服系统包括托换支座（1）与控制箱（2），所述托换支座（1）上设置有测距传感器和压力传感器，所述测距传感器和所述压力传感器分别于所述控制箱（2）连接；

控制方法包括以下步骤：

S1：在托换点处的结构顶板下方架设钢梁；

S2：将轴力伺服系统和钢支撑立柱支撑在钢梁下方；

S3：通过控制箱控制各托换支座输出，利用多级加载的方式对上部载荷G_总进行支撑，并利用测距传感器和压力传感器收集各托换支座的数据，监测各个钢支撑立柱受力情况并进行调整；

S4：重新搭建承重结构，逐步释放钢支撑立柱的支撑轴力，直至结构顶板的荷载完全由新做承重结构承担；

所述步骤S3中多级加载步包括：

S31：控制托换支座输出，再检测到钢支撑立柱的轴力达到G₁后停止输出；

S32：通过对逐次递增轴力的方式控制托换支座输出，当加载至轴力达到G₁+G₂或结构顶板已达到制定位移量时停止加载；

S33：对各个钢支撑立柱的轴力与结构顶板的位移量进行监控；

S34：当监测结果触发预警时，控制箱对报警的钢支撑立柱和/或报警结构板监测范围内的钢支撑立柱进行卸载处理，调整梯度取为对应钢支撑立柱轴力的10%，至支撑轴力及结构变形达到报警值内且位移速率稳定后停止调整。

2.根据权利要求1所述的一种用于既有结构受力转换的托换系统，其特征在于：所述托换支座（1）由连接法兰（11）、千斤顶（13）和至少一个机械锁（12）组成，所述机械锁（12）以所述千斤顶（13）为中心呈圆周分布在所述连接法兰（11）上。

3.根据权利要求2所述的一种用于既有结构受力转换的托换系统，其特征在于：所述连接法兰（11）由环形加劲板（1104）、三角加劲板（1102）、连接板（1101）和安装板（1105）组成；所述安装板（1105）和所述连接板（1101）通过所述环形加劲板（1104）连接，所述三角加劲板（1102）设置在所述安装板（1105）和所述连接板（1101）之间，在所述连接板（1101）上设置有与所述钢支撑立柱（3）连接的螺栓孔（1103），所述千斤顶（13）和所述机械锁（12）固定设置在所述安装板（1105）上。

4.根据权利要求3所述的一种用于既有结构受力转换的托换系统，其特征在于：所述测距传感器和所述压力传感器均安装在所述千斤顶（13）上。

5.根据权利要求4所述的一种用于既有结构受力转换的托换系统，其特征在于：所述控制箱（2）通过所述测距传感器和所述压力传感器所反馈的信号来控制所述千斤顶（13）的输出。

6.根据权利要求1所述的一种用于既有结构受力转换的托换系统的控制方法，其特征在于：所述上部载荷G_总=G₁+G₂+G₃，其中G₁为结构自身重量，G₂为结构内的其他恒载，G₃为结构上的活载。

7.根据权利要求1所述的一种用于既有结构受力转换的托换系统的控制方法，其特征在于：在支撑过程中通过控制箱控制千斤顶对破除范围内钢支撑立柱施加预应力，并通过压力传感器实时测量千斤顶的压力值并反馈给控制箱，当出现钢支撑立柱的支撑轴力变化异常时，根据结构板位移情况调整轴力异常的钢支撑立柱附近的钢支撑立柱轴力，以轴力异常的钢支撑立柱为中心向外发散递减，递减梯度为轴力失效钢支撑立柱轴力的10%，至失效支撑范围的结构顶板变形稳定或调至失效前位移值后停止，减小临时支撑预应力损失，当预应力达到原承重结构承载要求后，将机械锁设定为锁死状态，实现对原有承重结构的托换。

8.根据权利要求1所述的一种用于既有结构受力转换的托换系统的控制方法，其特征在于：待新做承重结构达到强度要求后，划分钢支撑立柱拆除顺序，将机械锁退至所需的变形距离以外，待所有承重结构全部托换完成后移除钢支撑立柱及钢梁，拆除机械锁和千斤顶。

9.根据权利要求8所述的一种用于既有结构受力转换的托换系统的控制方法，其特征在于：在钢支撑立柱拆除时通过等比例卸载的方式首先拆除新作承重结构对应范围支撑，确保临时支护体系向新作承重结构体系平稳过渡，待支撑轴力卸载完成方可拆除，并按此步骤进行后续剩余钢支撑立柱的拆除工作。

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