上海建工四建集团有限公司 上海 201103
摘要：在大型悬挑结构施工时，大多数情况下方需设置临时支撑架，并考虑到悬挑结构必要的预抬高及支撑拆除后的下挠值，需充分考虑各项因素，确定合适的卸载节点。在确保结构稳定、施工安全、缩短工期、降低成本的前提下，卸载用砂箱是一种施工方便、承载力大、便于就地取材且安全可靠的一种卸载方式。本文即为针对某一大型悬挑结构的临时支撑顶部卸载砂箱的深化设计及相应计算分析，可供类似工程进行参考。
关键词：砂箱；卸载；变形分析。
Design of sand box for a cantilever structure unloading
Feng Jiewen
Shanghai Construction No.4（Group）Co.，Ltd.Shanghai 201103
1.引言
随着社会审美的不断进化，人民群众对建筑的“个性”、“美观”有着越来越高的追求，从而出现了大量悬挑结构，对技术路线的策划及施工质量、安全、进度管理提出了更高的要求。
而大悬挑结构的施工中经常需要用到临时支撑及相应的卸载节点设计。本文即对某工程大型悬挑结构的临时支撑卸载节点做了专项设计。
2.工程概况
某大型文化类建筑项目位于余杭市区，含大小剧院、展览中心、过街天桥及项目附属设施、广场等，总建筑面积128932.70㎡，地上建筑面积72537.40㎡，地下建筑面积56395.30㎡。
图2-2 冰裂纹结构正立面示意图
3.施工重难点
3.1 冰裂纹悬挑长、重量大、施工难
冰裂纹钢结构两侧的劲性剪力墙及屋顶结构（含2榀大跨钢桁架）形成稳定结构，冰裂纹悬挑长，悬挑重量重，施工难度极大。
图3-4 剖面C-C 冰裂纹立面图
拟定在冰裂纹钢结构下方设置临时支撑，并设置结构预抬高后卸载用专用节点。
3.2 卸载节点的设计难
由于冰裂纹重量极重（达4200t），卸载节点需充分考虑冰裂纹悬挑结构在临时支撑过程中的结构安全、卸载后的下挠值控制及卸载过程的安全平稳。
卸载节点的结构安全性、施工便利性、成本控制、针对性设计等，均为卸载节点设计的重难点。
4.支撑节点
4.1 总体施工技术路线
统筹考虑各类施工因素后，先在冰裂纹下设置临时支撑，并于支撑顶部设置卸载砂箱（设计好预抬高量）。冰裂纹自下而上安装，待整个体系安装完成后，对砂箱进行卸载，并拆除临时支撑。
4.2 支撑体系设计
在冰裂纹悬挑段下方设置条形基础及11根φ609管支撑，支撑顶部设置卸载专用砂箱。
图5-1 卸载砂箱设计
卸载砂箱由外筒、内筒、内灌砂组成。外筒直径609mm，高度650mm。内容直径550mm，高度600mm，壁厚均为20mm，材质Q345b。
2）外筒
图5-2 砂箱外筒深化设计
外筒设计时，主要需考虑筒体的承载力、圆管稳定性、卸载方式。
因此，采用20mm厚直径609mm的钢管（截面可适当调大），底部单面坡口全熔透焊接700mm直径的20mm厚圆板。
在外筒2/3高度处焊一块直径800mm的钢环板箍住外筒，加强外筒的强度及稳定性。
外筒底部气割开2个φ28的孔洞，塞入2个M24套筒，在套筒中央钻直径8mm的卸砂孔，并拧入2根短钢筋封闭套筒。
筒身内侧均布焊接12根φ6圆管，减小内筒套入后的摩擦面，便于其承载受力后的滑动。
内筒套入后，在外筒顶部与内筒接触位置绕一圈φ10圆钢并电焊，防止水、空气进入，导致内灌砂受潮结块，不便卸载。
2）内筒
图5-3 砂箱内筒深化设计
内筒设计时，主要需考虑筒体整体的承载力。
因此，采用20mm厚直径551mm的钢管（截面根据外筒尺寸而确定），上下各单面坡口全熔透焊接551mm、600mm直径的20mm厚圆板，焊接前内部填满细砂，保持整体稳定性。
3）内灌砂
根据受力计算及实践所得，主要选择如下2种材料作为内灌砂：
钢抛丸：钢构加工厂用来对构件进行抛丸除锈所用的钢抛丸珠子。优点是材料易得、不易结块、卸载出沙顺畅。缺点是价格昂贵、重量较重。
根据计算，外筒承载力满足设计要求！
5）分析软件
采用大型通用有限元分析软件ABAQUS进行。
6）单元选取及网格划分
单元选取：采用自由网格划分技术对节点进行网格划分，单元采用六面体C3D8R。
7）接触对象设置
为准确模拟外筒和灌砂之间的真实传力情况，得到其应力分布，通过面面接触来模拟。刚度大的外筒部分选为主面，灌砂选为从面。沿着接触面的法向方向，钢管和混凝土的接触关系利用“Hard Contact”来模拟，以保证钢管和混凝土互相之间不能挤压穿透，而在拉力作用下两者可以互相脱开。沿着接触面的切向方向，钢管和混凝土的接触关系利用“Penalty”来模拟，两者之间的摩擦系数设定为0.05。
8）材料模型
外筒材料为Q345，弹性模量E=206000N/mm2，柏松比取0.3。
灌砂材料取弹性模量E=80N/mm2，泊松比取。
9）边界条件
约束施加在筒体底部，约束类型为刚性约束。
10）分析准则
有限元分析中主要考察了节点的在起控制作用的荷载组合工况下的变形情况与Von-Mises应力分布，并根据钢材性能对节点的安全性做了评估。
从外筒计算模型应力分布可以看出，最大应力值163MPa，处于弹性范围，相比理论计算值大约10%，两者计算结果基本相符。从外筒的变形云图可以看出，外筒环向变形量约0.24mm，与理论计算刚性假定基本相符。
因砂体在加载过程中不断压紧密实，其最大压缩变形量达42mm，实际应用中应适当超灌，以抵消砂体变形，提高施工安装质量！
砂体最大压缩变形图
图5-8 专业软件计算砂箱变形云图
5.3 砂箱卸载
根据设计要求，冰裂纹安装完毕且经过质检后，进行砂箱卸载。
卸载时，11个砂箱位置均安排1名专业工人，并安排1名总指挥统一指挥卸载。11人同时开始旋拧外筒M24套筒的封闭钢筋（钢筋并不脱离套筒），露出卸沙孔，开始缓慢卸沙。
工人同时拿靠尺测量砂箱上方与冰裂纹结构的空隙，并实时通过对讲机通知总指挥。若某一点卸载过快，即回旋该点套筒内钢筋没过卸砂孔，暂时关闭该点卸沙。待整体卸载速度同步后，继续缓慢卸载。
图6 砂箱制作材料表
7.结束语
本文对大悬挑结构支撑的卸载用砂箱进行了工况分析、深化设计及模拟计算，解决了支撑的制作工艺、施工应用、成本控制等很多共性难题，具有较广泛的应用价值，为类似工程提供了一系列示范经验。
参考文献
[1]庞京辉，路克宽．钢结构支撑体系卸载技术．[J]．建筑技术，2011．
[2]伍小平，高振峰，李子旭，等．国家大剧院钢壳体安装中的卸载方案分析．[J]．建筑施工，1995．
[3]洪国松，黄利顺，邱小军，等．重型钢结构砂箱卸载施工技术．[C]．2012第四届全国钢结构工程技术交流会论文集，2012
论文作者:冯洁文
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年5期
论文发表时间:2019/7/1
标签：裂纹论文; 节点论文; 结构论文; 套筒论文; 直径论文; 钢结构论文; 应力论文; 《建筑学研究前沿》2019年5期论文;