多階循環(huán)卸載技術在屋蓋卸載施工中的應用(張元春)

1、多階循環(huán)卸載技術在屋蓋卸載施工中的應用張元春(中建一局鋼結構工程有限公司100161)【摘要】鋼結構安裝工程的卸載是一個動態(tài)過程，安裝施工階段的約束條件、荷載條件和使用階段設計約束條件、荷載條件差異較大， 需做大量的空間受力計算。必須以體系轉化為原則，以變形協(xié)調(diào)為核心，實時監(jiān)控為保障，建立必要的安全保障措施， 才能保證鋼結構安裝卸載安全、可靠地進行。 本文以準格爾旗某體育中心體育場為工程背景， 對典型大懸挑鋼管桁架鋼結構施工時所采用的鋼管臨時支撐系統(tǒng)進行分區(qū)多階循環(huán)卸載模擬，介紹了屋蓋受力體系轉換過程的施工工藝及技術措施?！娟P鍵詞】大懸臂臨時支撐卸載 施工技術【引言】在大跨度、懸挑鋼結構施工中

2、，往往用到臨時支撐。結構施工完成后，在拆除這些臨時支撐時， 應對臨時支撐進行卸載， 使鋼結構從帶支撐受力狀態(tài)平緩過渡到到設計要求的受力狀態(tài)。卸載是支撐逐步退出工作， 結構逐步參與工作的受力轉化過程。 大型鋼結構支撐卸載有支撐反力大、卸載點數(shù)多、 卸載點分布廣等特點。 力的轉化瞬間完成， 在卸載時必須要有細致的工況模擬分析做基礎，若支承力釋放不合理， 會造成結構破壞或支撐體系逐步失穩(wěn)而倒塌的嚴重后果。目前，常用的卸載方法有切割法、同步等距卸載法、同步等比卸載法、砂箱卸載法等，實際工程中則須根據(jù)結構施工階段計算模擬分析結果及現(xiàn)場條件選用合適的卸載方法。 在內(nèi)蒙古準格爾旗大陸體育中心施工中，施工單位

3、通過大量的工況模擬計算， 選擇了多階、 循環(huán)分區(qū)卸載的工藝， 順利完成了該工程大懸臂鋼結構屋蓋體系的施工任務。一、工程概況某體育中心體育場鋼結構屋蓋為大懸臂空間管桁架結構，平面寬247m，長264m，分為A、 B、C、D、E、B、C、D共8 個溫度區(qū)，由64 榀主桁架、其余由次桁架及各溫度區(qū)間裝飾桁架構成（見圖1），共中A、E 區(qū)各9 榀主桁架，C、C區(qū)各7 榀主桁架，共它各區(qū)每區(qū)為8 榀主桁架，每榀主桁架通過撐桿與支座球連接（見圖2），鋼結構總量2300 噸。主、次桁架及裝飾桁架形式見圖3 所示，主桁架截面為倒三角形，主桁架最大懸挑跨度40m，安裝高度54m，最小懸挑跨度16m，安裝高度26

4、m，構件最重25t ，最輕 10t , 次桁架與裝飾桁架均為立體桁架，次桁架安裝與主桁架弦管為相貫焊接。主桁架根部次桁架環(huán)向腰部次桁架裝飾桁架 (位于各溫度區(qū)之間)圖 1 桁架分布示意圖二、臨時支撐體系及結構傳力分析1. 臨時支撐體系設計由于各主桁架及支座撐桿與下部球支座需要在各分區(qū)結構安裝合攏完成后方能進行最終焊接， 因此，需要對各主桁架的預設支點下部設置臨時支撐，該臨時支撐在各分區(qū)桁架合攏完成后即可卸載。在施工過程中，各主- 次桁架的重量全部落在臨時支撐和支座球節(jié)點上（見圖 3）結構主體屋蓋( 共 64 榀主桁架 )圖3 現(xiàn)場支撐體系布置圖主桁架臨時支撐架（共 64個支撐點）2. 結構理論

5、傳力路線與卸載施工時傳力路線(1) 原設計傳力路線， 屋蓋主要傳力形式為: 屋面板檁條主、次桁架支座下部混凝土基礎。(2) 結構卸載前傳力路線, 主 - 次桁架屋蓋傳力形式為：屋面結構（主、次桁架）支座和臨時支撐下部混凝土基礎。三、卸載工況分析1. 模型及荷載條件(1) 模型：直接采用原設計提供的模型進行計算；(2) 支座邊界條件：桁架與下部型鋼混凝土柱連接節(jié)點為鉸接；(3) 重力荷載：取結構自重；(4) 施工荷載：考慮卸載過程中結構上部無任何活荷載，只考慮支座位移荷載；(5) 溫度荷載：根據(jù)初步分析，結構溫度所引起的位移不會引起安全事故，故進行卸載分析時不考慮溫度作用。 但為保證初始應力狀態(tài)

6、， 卸載時的溫度盡量在桁架拼裝合攏的溫度范圍之內(nèi)。本施工工況分析時不考慮風荷載和地震作用，卸載時當天風力不能超過4級。2. 工況模擬結果 ( 取 C區(qū)進行卸載模擬分析，共計 7個卸載點 )(1) 卸載方法的選擇通過模擬分析， C區(qū)主體結構在無支撐的狀態(tài)下各主桁架卸載全部完成后數(shù)據(jù)見表( 一 )表( 一)卸載前支座反力（ KN）卸載后理論撓度卸載后實際撓度桁架編號卸載點編號(mm)(mm)C-1反5648.236.77.2C-2反5553.125.66.3C-3反5452.985.25.9C-4反5353.265.16.0C-5反5253.295.36.4C-6反5153.465.76.9C-7

7、反5048.696.87.6卸載前最大支座反力為53.46KN，最大撓度為 6.8mm。綜上表信息可知，卸載前最大支座反力為53.46KN，最大撓度為 6.8mm。 7個卸載點位置的卸載后撓度基本一致，因此選用同步等距卸載法，并對各卸載分步的結構應力狀況及變形狀況進行分析。在保證各支撐點反力不超過臨時支撐架、千斤頂承載力及盡量使桁架結構本身應力變化均勻的前提下， 經(jīng)過反復指定支座位移荷載，最終確定整個卸載過程分為2步卸載比較合適。在每個主桁架上各取1個卸載控制點，各控制點在每步卸載的卸載行程及對應的支撐架點反力見表 (二 ) 。表（二）第二次卸載卸載點編號卸載數(shù)據(jù)第一次卸載理論行程實際完成情況

8、56卸載高度 (mm)51.7一次性卸載完成支座反力 (KN)16.14055卸載高度 (mm)50.6一次性卸載完成支座反力 (KN)1.99054卸載高度 (mm)50.2一次性卸載完成支座反力 (KN)0.2053卸載高度 (mm)50.1一次性卸載完成支座反力 (KN)1.21052卸載高度 (mm)50.3一次性卸載完成支座反力 (KN)1.61051卸載高度 (mm)50.7一次性卸載完成支座反力 (KN)3.03050卸載高度 (mm)51.8一次性卸載完成支座反力 (KN)17.1303構件驗算比率折線圖圖 4卸載過程構件最不利應力比分布圖五、卸載施工工藝1. 各分區(qū)卸載點布置

9、( 見圖 8)圖 5 卸載點布置圖2. 千斤頂?shù)倪x擇在施工過程中， 千斤頂在長期處于受力狀態(tài)，液壓千斤頂易出現(xiàn)回油現(xiàn)象，這樣將對結構的整個過程控制不利。所以，本工程選用螺旋千斤頂。卸載時，A區(qū)和 E區(qū)受力最大，達到了15噸，千斤頂?shù)倪x擇是在卸載點最大支點反力的基礎上取1.4 倍以上安全系數(shù)，為了合理利用設備，本工程選擇16t 和25t 兩種型號千斤頂供卸載時使用，其中，25t 用于 A、 E區(qū)， 16噸用于 B、 C、 D、 F、G、 H區(qū)。3. 支撐點千斤頂?shù)牟贾冒雅R時支撐上用于桁架拼裝時的支撐桿一次性去掉， 保留卸載點的千斤頂支撐。 千斤頂布置在臨時支撐架頂部鋼梁頂面， 支點位置盡量靠近桁

10、架節(jié)點處， 千斤頂通過托架頂緊桁架下弦弦桿（見圖 9）。支撐架頂部千斤頂支撐架頂部支撐桿圖 6 千斤頂支撐節(jié)點詳圖4. 分區(qū)卸載步驟在結構分析的基礎上，卸載按照分步驟多次循環(huán)、微量下降的原則來實現(xiàn)荷載的平穩(wěn)轉移。本工程各個分區(qū)的卸載次序如下：第一次卸載C區(qū)，第二次卸載D區(qū)，第三次卸載C區(qū)，第四次卸載D 區(qū)，第五次卸載E 區(qū)，第六次卸載B 區(qū)，第七次卸載A 區(qū)，第八次卸載B區(qū)（見圖10）圖 7 各卸載區(qū)分布圖在卸載前， 需要對結構預驗收，確保所有結構構件及節(jié)點連接情況與設計相符，并記錄結果。通過結構模擬分析，得出各個分區(qū)卸載點位置的理論撓度值，初選卸載行程值，對各個分區(qū)進行分步卸載模擬，在確定以

11、理論行程進行結構卸載的過程中，記錄各個行程的支撐點的反力，在確定反力呈遞減趨勢時，即可確定各行程值，及卸載步數(shù)。 各個卸載點的卸載行程需要同時完成。 實際操作時可在卸載前在千斤頂側壁根據(jù)各行程大小情況做好每個行程值的標記，在卸載時統(tǒng)一進行指揮操作，確保各個點行程一致。5. 卸載測量監(jiān)控(1) 卸載時， 應進行的測量監(jiān)控包括： 屋蓋桁架懸挑最遠端變形監(jiān)測、 千斤頂行程監(jiān)測、屋蓋鉸接支座變形監(jiān)測。(2) 卸載完成后， 應對結構關鍵部位的焊縫進行分階段監(jiān)測， 同時進行變形終值的觀測。此時， 也要進行 24 小時的周期觀測， 在一個 24 小時時間段內(nèi)， 每 2 個小時觀測一次，并觀測大氣溫度和鋼結構

12、表面溫度，獲得鋼結構工程在本身體系結構內(nèi)隨溫度的變形情況。(3) 對觀測點的施測方法與前兩個階段一樣，同時保證與卸載前、后的觀測條件基本相同，分析加載后觀測點的變形規(guī)律。六、卸載過程技術措施1. 卸載條件為了盡量使現(xiàn)場實際情況與設計模型吻合，卸載條件如下：（ 1）屋蓋每個分區(qū)的主體鋼結構所有構件全部安裝到位。（ 2）所有節(jié)點的連接已經(jīng)完成，且驗收合格。（ 3）各支撐點支架（包括節(jié)點）全部按設計要求完成且驗收合格。（ 4）屋蓋外形已經(jīng)過設計、監(jiān)理等驗收合格。（ 5）卸載當天的風力不得大于4 級。2. 卸載速度控制為了控制卸載速度，卸載時各千斤頂行程必須同步。每一步卸載完成后使用全站儀監(jiān)測結構的下

13、撓值及各個支撐點處的工作穩(wěn)定性。待監(jiān)測完畢判斷結構是否安全后方可開始下一步的卸載工作。3. 卸載過程對連接焊縫檢查卸載前對主放射狀桁架與支座球連接處的焊縫、桁架撐桿與主桁架下弦球的連接焊縫等結構關鍵部位連接焊縫進行著色；在卸載過程中安排專人進行檢查，發(fā)現(xiàn)問題立即報告；卸載完成后，對所有觀測焊縫進行二次探傷檢查。4. 預案措施整個卸載過程是在基于理論分析的基礎上制定的。在實際的操作過程中，可能會出現(xiàn)與理論分析數(shù)據(jù)不盡相同的情況。對于可能出現(xiàn)的各種非正常情況，需提前編制相應的處理預案措施。5. 安全措施所有高空設置的器具均采用保險繩的方式將器具固定，確保器具不墜落于地面。同時，對所有的操作工人加強

14、安全教育和技術交底，提高安全意識， 并保證所有的安全措施全部落實到位，安全管理人員同時加強整個卸載過程的安全管理力度。七、卸載結果該體育場屋蓋的八個區(qū)的分區(qū)卸載工作順利完成。整個卸載施工過程中下部混凝土結構及上部鋼結構屋蓋等均未發(fā)生任何異常情況，結構及支撐承載力均安全可靠。八、結語對于大跨度、大噸位、超長臂鋼管桁架結構，必須針對其工程特點、施工難點進行施工方案的分析比較和優(yōu)化。本工程采用整體分區(qū)同步等距卸載法對結構進行分區(qū)卸載，大大減少了現(xiàn)場臨時支撐數(shù)量，既滿足了施工質(zhì)量優(yōu)良的要求，同時也得到了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。綜上述工程實踐，提出以下觀點：1、對于大型復雜結構的多點、多步卸載，需進行整體分析進行卸載模擬，以確定正確的卸載方法，并找到最優(yōu)卸載步驟及卸載行程，確保在整個卸載過程中的結構安全；2、卸載的過程要監(jiān)測是否和計算模擬結果相似，發(fā)現(xiàn)異常時應立即處理相應問題；3、卸載過程中的安全保障措施必須到位，確保結構卸載過程中的意外事故發(fā)生時有及時有效的