提要：正确的施工顺序、合理的施工控制方法对保证大跨度组合楼盖施工阶段的安全性起着非常重要的作用。本文以在建的上海浦东新区文献中心综合楼大跨度斜拉钢- 混凝土组合楼盖为对象,结合组合楼盖施工过程的现场实测数据,讨论并分析合理的施工控制方案,确保楼盖施工安全,避免由于施工不当对楼盖今后的使用造成不利的影响。
关键词：钢- 混凝土组合楼盖,支撑撤除,施工控制
1 引言
目前,大面积楼盖施工控制的研究和实践主要集中于控制大面积混凝土楼盖由于收缩和温度变化产生的裂缝以及拆摸后楼盖的平整度[1] 。浦东新区文献中心主楼采用了新颖的大跨度斜拉钢- 混凝土组合楼盖结构,使得设计和施工人员在关注以上问题的同时,还要探讨在支撑拆除过程中合理的施工控制,以保证组合楼盖中的箱型钢梁与混凝土楼板共同工作,并且支撑拆除不会对组合楼盖的使用性能造成不利的影响。
浦东新区文献中心采用的是大跨度斜拉钢-混凝土组合楼盖,其结构形式新颖,是组合结构设计与施工的一次创新。该楼盖由箱型钢梁与其上覆盖的钢筋混凝土楼板组成,位于相对标高17.50m 处,箱型钢梁高1. 6m ,宽0. 8m ,呈井格形布置,每个井格为7. 5m ×7. 5m ;钢筋混凝土楼板厚0. 3m ,其中,配有自上而下双向交叉的六层钢筋Φ25 @100mm ,组合楼盖的平面尺寸为78. 9m ×78. 9m。位于组合楼盖四周边线中心处的支撑筒体(钢筋混凝土浇筑) 及中部轴线交叉处的四根钢管混凝土柱是组合楼盖的承重结构部分。组合楼盖上的荷载将从两个方向传向中部井字形交叉的主承重组合梁,再由中部的井字形交叉的主承重组合梁将荷载传递至四边的支撑筒体以及中部的钢管混凝土柱;而组合楼盖角部悬挑出的部分则通过分别固定于组合楼盖四边与支撑筒体之间16组斜拉钢杆将其拉住,从而形成一个特殊的大跨度斜拉组合楼盖体系。组合楼盖与支撑筒体连接部位采用可双向移动的滚动支座,组合楼盖与钢管混凝土柱的连接部位采用大尺寸的球铰支座,采用这些支座的目的在于使组合楼在支撑撤除阶段以及使用阶段,能够根据所承受的荷载大小做出相应的自由的位移反应,并避免因支座的约束使组合楼盖在温度变化时承受不利的荷载。组合楼盖具体结构形式如图1 所示。
由于组合楼盖的跨度和自重都很大,因此,施工过程的优化选择就显得十分重要,因为不合理的施工控制将直接影响组合楼盖的施工安全和今后的使用性能。在组合楼盖施工过程的最重要阶段,即组合楼盖支撑脚手架拆除阶段,进行了现场监测,以配合优化脚手架支撑撤除方案。随着脚手架支撑的逐步撤除,将得到的即时监测数据与预先准备好的控制方案相比较,指导施工控制并检验施工控制的实际效果。
2 施工方案
组合楼盖总体的结构施工顺序如下：
(1) 组合楼盖的施工采用密集的脚手架支撑,首先搭设满堂红的脚手架至17. 50m 楼盖的箱型梁底附近。每个箱型钢梁交叉节点下采用双立杆脚手架,间距0. 3m ,集束的脚手架上面用10mm厚钢板覆盖,在钢板上用千斤顶支撑箱型钢梁节点下传递来的结构重量;其余用于支撑井格内混凝土模板的脚手架采用单立杆,间距为1. 2m。
(2) 为保证组合楼盖投入使用后的性能和外观,对组合楼盖采取起拱的施工手段。逐步吊装17. 50mm 标高处预制好的箱型钢梁梁段,在各个梁段就位后,调整已安装好的钢梁交叉节点下的千斤顶,使各个梁段按照起拱设计标高就位,然后采用高强螺栓连接和焊接的方法将组合楼盖井格梁体系组装完毕。吊装位于支撑筒体顶部用于固定斜拉钢杆的横梁,吊装并焊接斜拉钢杆。
(3) 搭设17. 50m 标高处楼盖模板,绑扎混凝土楼板钢筋(三级钢筋Φ25 @100 ,自上而下共六层,各层相互垂直交叉布置在300mm 厚的混凝土双向楼板内) ,进行17. 50m 标高处楼盖的混凝土浇筑。
(4) 拆除17. 50m 标高处支撑混凝土模板的脚手架,以免在撤除箱型钢梁交叉节点下支撑时,由于楼盖受自重作用下沉,而将自重传递给混凝土模板下脚手架,导致混凝土楼板与箱型钢梁脱开。分批分步骤地卸载组合楼盖钢梁各交叉节点处的千斤顶,使组合楼盖平缓地适应自身重力,各球铰支座和滚动支座做出相应的转动以协调整体结构的变形。这一阶段,支撑卸载,结构承受自身庞大重量而变形,是施工控制的关键阶段。
(5) 拆除4. 00m 标高至17. 50m 标高处的脚手架,进行17. 50m 标高组合楼盖下部混凝土结构的施工以及27. 10m 处的屋面施工。
3 关键阶段的施工控制
根据上述的施工方案分析,可知整个施工过程中,撤除组合楼盖箱型钢梁交叉节点下的支撑是最关键的阶段。出于对组合楼盖使用性能的考虑,在制定施工方案时,为使脚手架卸载后楼盖的竖向变形不致过大,在吊装井格钢梁体系时采取了起拱的措施,其中起拱值最大处约为86mm ,实测的起拱值如图2 所示。在确定合理的施工控制方案时,良好地控制图2 所示的这些起拱值,使箱型梁交叉结点的位移值呈现总体的平缓而有序的变化,是楼盖支撑撤除控制成功的关键。
3.1 同步撤除支撑的卸载方案
保证图2 所示的起拱值同步协调的变化是支撑撤除控制的首要任务,因此支撑撤除最理想的方法就是使图中所有的箱型梁交叉节点位置的千斤顶同步缓慢地将组合楼盖释放。当然,由于组合楼盖的受力机制,在释放千斤顶时,每一步骤每一组千斤顶的释放值要根据计算值确定,避免出现楼盖的局部产生应力集中的现象。这是最理想的方法,但是实施起来却有一定的困难。
组合楼盖的支撑是由位于满堂红脚手架与井格形布置的箱型钢梁交叉点下的千斤顶实现的,因此支撑的撤除也是通过这些千斤顶实现的。根据实际采用的千斤顶的构造,可以通过控制千斤顶扳手旋转的圈数来控制千斤顶下移的位移。这样的话,每一组千斤顶需要两个工人共同操作,全部120 组千斤顶需要240 名工人,而且需要实时调度协调,根据现场施工队的实际情况,无法实行这一同步撤除支撑的方案,必须对组合楼盖进行分块卸载。
3.2 基于裂缝控制的分块卸载方案
根据组合楼盖的结构形式特征,将整个组合楼盖划分为如图2 所示的A ,B ,C ,D 四块结构形式和支撑条件相互对称的区域,通过依次对这四块区域进行卸载来完成对整块组合楼盖的卸载。A ,B ,C ,D 四块区域的楼盖自重均通过两个相互垂直的方向传递至靠近自己区域的中央井字形主承重组合梁,再由主承重组合梁将荷载传递至支撑筒体和钢管混凝土柱;而楼盖悬挑的角部上的荷载,则通过各自区域内的四组斜拉钢杆传递给支撑筒体。因此,少量的对一个区域卸载并不会对其他区域造成太大的影响,因此可以对组合楼盖进行分块卸载。
但是,组合楼盖毕竟是一个整体,以A ,B 两区域为例,首先将A 区域卸载,则A 区域将产生过大的竖向位移,而这些竖向位移将在最终支撑撤除后的组合楼盖中,由于B 区域对A 区域的自重平衡作用而减小;并且,由于先卸载的A 区域缺乏B 区域的自重平衡,会在斜拉钢杆内产生大于设计值的拉应力,这些因素使得对组合楼盖的分块卸载必须分步骤并且相互交替的进行。
支撑撤除的最终目的是保证组合楼盖的箱型钢梁与混凝土板能够良好地共同工作,并使混凝土楼板不出现明显的裂缝,基于这一目的,拟采用基于裂缝控制的分块卸载方案。即在对每一个分区域进行卸载时,采用分区域中部卸载位移值大,主承重组合梁和角部悬挑梁卸载位移值小的方式进行。采用这样的方式,使分区域的中部楼盖时时保持在承受正弯矩的受力状态,在整个卸载过程中以及卸载后能够最大限度地保证组合楼盖不会因为卸载步骤不当而出现裂缝。
然而,这种基于裂缝控制的卸载方案也有缺点。在最后的卸载步骤中,整个组合楼盖的重量将压在位于主承重组合梁和四边悬汪梁下的千斤顶上。每一组支撑千斤顶的最大允许荷载为260t 左右,到时很难控制最后的卸肇步骤,极易发生局部千斤顶超载破坏的状况,一旦千斤顶超载破坏,将使最后卸载阶段的组合楼盖发生轻微的振动,这对组合楼盖的使用性能是不利的,最后因超载被楼盖压住的千斤顶只有通过切割脚手架的方法取出。而在这最后一批千斤顶的位置处，必将产生与初步设计时不相符合的应力集中,这一卸载过程的最后步骤的主承重梁应力将出现跳跃。
3.3 基于平缓受力的分块卸载方案
如上所述,基于裂缝控制的卸载方案可能会出现无法控制的应力突变,因此,提出更合理的基于使组合楼盖结构平缓受力的分块卸载方案。具体的方法是,在分块卸载的第一步,首先将组合楼盖支撑完全撤除后受力最大的主承重组合梁和角部悬挑组合梁完全释放,让这些部分的结构在第一时间进入受力承载的工作状态,并随着随后的卸载工序,逐步承受更大的自重荷载,直至达到最终的承重工作阶段,整个过程承载力的变化平缓;在释放掉这些主要的承重组合梁后,分别对每个区域内剩余的大批支撑千斤顶同步缓慢释放。此时虽然有可能在分区域的中部产生负弯矩,但是由于组合楼盖的大部分支撑结构都还保留,这一负弯矩值不会很大,只要确保支撑千斤顶同步缓慢的释放,完全可以使分区域中部不出现裂缝(事实证明,在实际的卸载过程中,并未产生明显裂缝或是混凝土楼板与箱型钢梁脱离的现象) 。依次序反复对A ,B ,C ,D 四个区域缓慢卸载,既能够保证卸载过程中组合楼盖的受力机制与卸载完成后基本一致,又能在一定程度上保证楼板不出现裂缝或混凝土楼板与箱型钢梁脱离。因此,基于使组合楼盖结构平缓受力的分块卸载方案是最终采用的优化的施工控制方案。
综合以上叙述,具体的支撑撤除施工步骤如下：
首先从A 区域开始,先卸载A 区四边的井字形主承重梁和悬挑组合梁(分步1) ,然后对A 区其余千斤顶进行部分卸载( 分步2 , 各卸载约5mm) ;再转移到D 区,对D 区四边的井字形主梁和悬挑梁进行部分卸载(分步3) ,接着对D 区其余千斤顶进行部分卸载(分步4 ,各卸载约5mm) ，接着完全卸载D 区四边的井字形主梁和悬挑梁(分步5) ;继而转移到C 区依D 区的方式进行卸载(分步6 ,7 ,8) ;B 区同D 区(分步9 ,10 ,11) ;然后将AC 两区所有千斤顶全部释放(分步12) ;最后将BD 两区千斤顶全部释放(分步13) ,至此,组合楼盖卸载完毕。
4 施工控制的效果
4.1 楼盖剩余的起拱值
通过基于平缓受力的分块卸载方案,组合楼盖得以成功卸载,最终的剩余起拱值如图2 所示。起拱设计的目的在于保证结构的使用性能,避免参观者因过大的楼盖竖向变形而引起不适感，使楼盖在脚手架支撑拆除后的相对标高等于零。通过实测的位移值表明,楼盖的位移值与预期的相符，在后续的施工阶段还将有一部分的恒荷载加在楼盖上,再加上使用阶段的活荷载,预计楼盖的最终位移量基本与起拱量持平,使得楼盖各处的相对标高约为零,保证良好的视觉效果和使用性能。
在支撑撤除的全过程中,进行了对主承重组合梁截面和斜拉钢杆的跟踪监测,以确保在卸载过程中,主承重组合梁截面和斜拉钢杆的应变变化平缓,并按照预期的情况逐步受力,不产生过大的应力。在整个卸载过程中,并未出现明显的混凝土楼板裂缝。在组合楼盖支撑全部撤除后一周左右,在斜拉钢杆与组合楼板接合处,由于斜拉钢杆的提拉造成了应力集中,混凝土楼板处于不利的负弯矩受力状态下,因此,出现了与斜拉杆所在平面相平行的裂缝(图2) ,在今后类似工程的设计中应采取相应的防开裂措施。
4.2 组合截面的应变变化
通过将正、负弯矩组合梁截面钢筋应变与箱型钢梁截面应变变化相比较可知,箱型钢梁与混凝土板的组合效果十分理想,设计所采用的剪力连接件工作状态良好,组合截面基本符合平截面假定,这与采用了合理的施工控制方案是分不开的。监测截面位置如图2 所示,组合截面应变分布如图3 所示。图中应变分布曲线由钢梁截面应变与相应位置处距钢梁轴线最近的钢筋应变组成,其中, h 为应变测点与组合梁底的距离,在0～1600mm 的h 范围内为箱型钢梁上的应变测点,在1850mm 处为混凝土楼板内最上层钢筋的应变测点。图3 表明了随着卸载分步的进行,在组合楼盖逐步受力的过程中,组合截面的应变平缓地增加,基于平缓受力的施工控制达到了预期的效果。
4.3 斜拉钢杆的应变变化
分析斜拉杆应变变化数据图4可发现,在支撑拆除过程中,于卸载步骤7 、卸载步骤10 、卸载步骤13 时斜拉钢杆的应变出现波动。在卸载步骤7 之前,所监测斜拉杆承受部分的A 区域荷载,卸载步骤7 完成后,C 区域楼盖的支撑部分释放,C 区域楼盖的部分自重荷载将平衡掉一部分的A 区域荷载,使所监测斜拉杆承受的荷载减小,测试数据出现波动,如图5 所示;同理,卸载步骤10 时,B 区域楼盖的支撑部分释放,B 区域楼盖的部分自重荷载将平衡掉一部分的A 区域荷载,使所监测斜拉杆承受的荷载减小,测试数据出现波动;卸载步骤12 时,AC 区域楼盖的支撑全部释放,所监测斜拉杆承受的荷载显著增加;卸载步骤13 时,BD 区域楼盖的支撑全部释放,平衡掉一部分的AC 区域荷载,使所监测斜拉杆承受的荷载略有减小,测试数据稍有回落。卸载过程中由于合理的施工控制,使斜拉杆受力平缓变化。
5 结语
浦东新区文献中心综合楼17.50m 标高处组合楼盖的施工控制是成功的,特别是在组合楼盖支撑撤除阶段,对于这类大跨度大自重的斜拉钢-混凝土组合楼盖的卸载控制,选择基于受力平缓的缓慢分块卸载方案是优化的选择。
参考文献：
[1] 江涌波1 大面积高楼层钢筋混凝土结构楼面的施工控制1 广东土木与建筑,2002 ; (6) :40 -42
[2] 王自根1 对组合楼盖应用中若干问题的探讨1 建筑施工,2002 ; (2) :88 - 89
[3] 樊健生,聂建国,贾 维等1 钢- 压型钢板混凝土组合梁在大跨人行天桥中的应用1 建筑结构学报,2002 ; (8) :85 - 89
