大跨度異形裝飾鋼桁架分區(qū)同步與非同步結(jié)合的統(tǒng)籌卸載技術(shù)

梁 軍

上海建工七建集團(tuán)有限公司 上海 200050

1 工程概況

上海市靜安區(qū)體育中心工程總用地面積61 733.8 m2，總建筑面積71 291.17 m2，地上建筑面積44 880.91 m2，地下建筑面積26 410.26 m2（圖1）。

圖1 靜安體育中心工程效果圖

工程主要由4個(gè)單位工程組成：A樓、B樓、地下室和配套輔助用房。其中，體育中心由A樓、B樓及地下室組成，A樓為二類高層，B樓為多層建筑，兩樓地下室連通，在地上通過(guò)連廊連通。

整個(gè)體育場(chǎng)館西半側(cè)屋頂景觀裝飾為外框鋼桁架結(jié)構(gòu)，該部分結(jié)構(gòu)由外圍鋼管柱和屋頂鋼桁架組成，覆蓋范圍為214 m×99 m，鋼結(jié)構(gòu)頂部高度32～42 m不等。主要受力鋼構(gòu)件包括焊接矩形管、焊接圓鋼管、熱軋無(wú)縫鋼管、熱軋矩形管，鋼材均采用Q345B。鋼桁架構(gòu)件尺寸為□60 mm×4 mm～□180 mm×300 mm×35 mm×30 mm、φ89 mm×4 mm～φ500 mm×35 mm，總用鋼量約2 700 t（圖2、圖3）。

圖2 裝飾鋼桁架結(jié)構(gòu)整體三維BIM模型

圖3 部分桁架構(gòu)件三維BIM模型

2 鋼結(jié)構(gòu)工程特點(diǎn)和施工難點(diǎn)

平面投影呈半圓形的外框裝飾鋼桁架吊裝和卸載施工難度極高。裝飾構(gòu)架覆蓋整個(gè)體育館A樓，懸挑部位延伸至B樓屋頂足球場(chǎng)上空，南北向最大跨度214 m，東西向最大跨度99 m。大跨鋼構(gòu)架采用雙向平面桁架結(jié)構(gòu)體系，整個(gè)鋼架支承在三部分豎向構(gòu)件上：外圍弧形區(qū)域混凝土-鋼柱、體育館柱頂伸出鋼柱和分叉鋼支撐、半圓形兩端2個(gè)分叉柱。在空間上與體育館脫離無(wú)附庸，而在視覺(jué)效果上環(huán)抱體育館。同時(shí)，為達(dá)到經(jīng)濟(jì)性效果，設(shè)計(jì)鋼構(gòu)件單肢截面尺寸相對(duì)整個(gè)體系而言較小，施工前的策劃和過(guò)程中的控制對(duì)項(xiàng)目實(shí)施至關(guān)重要。

外框裝飾桁架整體具有大位移非線性效應(yīng)，卸載結(jié)束后的結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)使用過(guò)程中的受力具有一定的影響[1-2]，因此結(jié)構(gòu)形態(tài)和構(gòu)成對(duì)卸載精度要求較高，卸載難度大，卸載過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)復(fù)雜且轉(zhuǎn)換次數(shù)多，從而必須著重思忖結(jié)構(gòu)體系在實(shí)施各階段的整體和局部穩(wěn)定性。通過(guò)理論建模和精細(xì)計(jì)算，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系的卸載過(guò)程進(jìn)行深入研究和探索，將分區(qū)同步卸載和非同步卸載相結(jié)合，具體細(xì)化至倒三角桁架（環(huán)形、南北）、徑向桁架、懸挑桁架等各個(gè)施工節(jié)點(diǎn)的工況，確保整個(gè)卸載過(guò)程安全可控。

3 卸載施工原則和流程

3.1 卸載前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)

1）所有鋼柱、環(huán)形主桁架、南北向主桁架安裝完成。

3）圖4中的陰影區(qū)域內(nèi)為2條施工縫，施工縫處次桁架、連系桿待徑向桁架卸載完成后安裝（為減少大面積平面桁架卸載不均衡性和相互牽制作用）。

圖4 外框裝飾鋼架卸載前結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)

4）外框斜柱臨時(shí)支撐全部卸載并拆除。

3.2 卸載準(zhǔn)備工作

1）完成卸載區(qū)域內(nèi)所有主體結(jié)構(gòu)的安裝、焊接并且探傷合格。

3）檢查所有塔架支撐纜風(fēng)繩是否拉緊。

4）完成同步卸載支撐點(diǎn)位節(jié)點(diǎn)加固。

5）完成局部腹桿加固。

6）完成局部支撐下方混凝土結(jié)構(gòu)加固措施。

3.3 卸載施工原則

先分區(qū)非同步跳幫卸載徑向桁架，然后同步卸載環(huán)形主桁架。桁架卸載點(diǎn)位支撐按照“多次循環(huán)、微量下降”的原則，使用氧氣割刀切割的方法進(jìn)行卸載。

徑向桁架卸載流程為：跳幫卸載非同步卸載點(diǎn)位的所有臨時(shí)支撐→徑向桁架分3塊區(qū)域依次同步卸載→安裝施工縫內(nèi)次桁架及連系桿件。

環(huán)形主桁架卸載流程為：非同步卸載點(diǎn)位支撐卸載→同步卸載點(diǎn)位三角桁架外側(cè)上弦桿對(duì)應(yīng)支撐拆除→環(huán)形主桁架同步卸載。

4 卸載分區(qū)及分區(qū)內(nèi)同步與非同步卸載理論分析

4.1 卸載點(diǎn)位分區(qū)

圖5 卸載分區(qū)平面布置

圖6 1區(qū)同步卸載點(diǎn)位布置

圖7 2區(qū)同步卸載點(diǎn)位布置

圖8 3區(qū)同步卸載點(diǎn)位布置

圖9 環(huán)形主桁架同步卸載點(diǎn)位布置

4.2 非同步卸載點(diǎn)位支撐卸載理論分析

1區(qū)的跳幫卸載支撐點(diǎn)位中，對(duì)應(yīng)徑向桁架計(jì)算豎向變形最大理論值7.96 mm；2區(qū)的跳幫卸載支撐點(diǎn)位中，對(duì)應(yīng)徑向桁架計(jì)算豎向變形最大理論值8.51 mm；3區(qū)的跳幫卸載支撐點(diǎn)位中，對(duì)應(yīng)徑向桁架計(jì)算豎向變形最大理論值6.37 mm。卸載時(shí)直接采用氣割的方式分1～2次卸載到位。

環(huán)形主桁架南北兩側(cè)混凝土柱之間臨時(shí)支撐卸載后對(duì)應(yīng)主桁架豎向變形最大理論值為7.93 mm，水平位移最大理論值為45.61 mm。卸載時(shí)直接采用氣割的方式分1～2次卸載到位，首次卸載量控制在5 mm，第2次為10 mm。

主桁架東北側(cè)端頭懸挑段倒三角桁架豎向變形最大理論值為50.15 mm，水平位移最大理論值為41.21 mm。卸載時(shí)直接采用氣割的方式分1～4次卸載到位，首次卸載量控制在5 mm，第2次為10 mm，第3次開(kāi)始為20 mm。

4.3 同步卸載點(diǎn)位支撐卸載理論分析

1區(qū)的同步卸載支撐點(diǎn)位中，對(duì)應(yīng)徑向桁架豎向變形最大理論值106.89 mm，卸載時(shí)直接采用氣割的方式分級(jí)卸載，初次卸載量控制在5 mm，第2次為10 mm，第3次開(kāi)始為20 mm；水平方向變形最大理論值為17.66 mm，通過(guò)支撐與千斤頂之間的置換過(guò)程來(lái)消耗水平位移量。

2區(qū)的同步卸載支撐點(diǎn)位中，對(duì)應(yīng)徑向桁架豎向變形最大理論值105.64 mm，卸載時(shí)直接采用氣割分級(jí)卸載，卸載量和層級(jí)基本同1區(qū)；水平方向變形最大理論值12.32 mm，通過(guò)支撐與千斤頂之間的置換過(guò)程來(lái)消耗水平位移量。

3區(qū)的同步卸載支撐點(diǎn)位中，對(duì)應(yīng)徑向桁架豎向變形最大值108.39 mm，卸載時(shí)直接采用氣割分級(jí)卸載，卸載量和層級(jí)基本同1區(qū)；水平方向變形最大理論值5.98 mm，通過(guò)支撐與千斤頂之間的置換過(guò)程來(lái)消耗水平位移量。

環(huán)形主桁架同步卸載點(diǎn)位支撐共計(jì)10個(gè)，其中豎向變形最大理論值為152.82 mm，水平位置最大理論值為34.72 mm。第1輪同步卸載先將中間區(qū)域7#、8#、9#、10#支撐卸載10 mm，隨后南北兩側(cè)區(qū)域4#、5#、6#、11#、12#、13#支撐卸載10 mm；第2輪同步卸載同第1輪流程，卸載量同為10 mm；第3輪開(kāi)始10個(gè)點(diǎn)位同步卸載，每次卸載量為20 mm，直至卸載完成。

5 同步卸載點(diǎn)位支撐卸載技術(shù)

5.1 徑向桁架同步卸載技術(shù)

5.1.1 千斤頂布置

在單個(gè)同步卸載點(diǎn)支撐兩側(cè)設(shè)置2個(gè)20 t千斤頂（缸體高度255 mm、行程150 mm、缸體直徑最大為130 mm），通過(guò)置換的方式逐步切割支撐頂部腹板，直至構(gòu)件完成變形量[3-4]。

在徑向桁架下方支撐（36b#工字鋼）腹板兩側(cè)，距離徑向桁架下弦底部410 mm處各設(shè)置1塊厚20 mm鋼板作為千斤頂平臺(tái)，鋼板下方設(shè)置2塊厚20 mm、間距100 mm的三角形筋板，千斤頂平臺(tái)鋼板與加強(qiáng)筋板及腹板對(duì)接處焊縫為雙面角焊縫，焊縫高為較小鋼板的厚度。

根據(jù)計(jì)算得出徑向桁架同步卸載時(shí)最大豎向變形量－108.39 mm，實(shí)際操作時(shí)對(duì)卸載量考慮一定的余量。對(duì)于部分點(diǎn)位行程不夠的情況，千斤頂下方根據(jù)行程差量墊相應(yīng)高度鋼板。

為避免千斤頂頂升時(shí)，厚8 mm的徑向桁架下弦翼緣板產(chǎn)生變形，在下弦翼緣板與千斤頂間墊1塊厚20 mm的150 mm×250 mm鋼板，用電焊固定（圖10）。

圖10 徑向桁架同步卸載點(diǎn)位示意

5.1.2 同步卸載流程

各卸載點(diǎn)千斤頂同步頂升，直至抵住桁架下弦桿；隨后分級(jí)割除卸載量，卸載量控制在10～20 mm；接著將千斤頂縮缸，使荷載傳至支撐。重復(fù)上述流程，直至完成卸載。

5.2 環(huán)形桁架同步卸載技術(shù)

在環(huán)形桁架同步卸載技術(shù)涉及的單個(gè)同步卸載點(diǎn)支撐兩側(cè)設(shè)置2個(gè)32 t千斤頂，其余千斤頂布置內(nèi)容和卸載流程與徑向桁架同步卸載基本相似，僅在細(xì)部節(jié)點(diǎn)有所改進(jìn)和優(yōu)化（圖11）。

考慮到環(huán)形桁架下弦為圓管，千斤頂不能有效頂住圓管，故在對(duì)應(yīng)下弦頂升位置設(shè)置墊塊，墊塊與下弦圓管之間臨時(shí)電焊固定（圖12）。

圖11 環(huán)形主桁架同步卸載點(diǎn)千斤頂布置示意

圖12 環(huán)形主桁架下弦墊塊示意

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)靜安區(qū)體育中心裝飾鋼結(jié)構(gòu)桁架體系卸載施工技術(shù)進(jìn)行研究，將整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)施工流程分解為38個(gè)代表性工況，對(duì)每個(gè)工況下鋼結(jié)構(gòu)體系和臨時(shí)支撐系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行建模分析，校核支承點(diǎn)反力、桿件應(yīng)力、下部混凝土結(jié)構(gòu)受力及構(gòu)件變形等重點(diǎn)過(guò)程控制參數(shù)。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力和變形狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，將監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論狀態(tài)下的情況進(jìn)行對(duì)比分析，并根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)更新計(jì)算模型，在過(guò)程監(jiān)測(cè)中統(tǒng)計(jì)出徑向桁架臨時(shí)支承點(diǎn)最大豎向位移為105 mm，弧形桁架為142 mm，位于理論安全預(yù)警范圍內(nèi)（徑向桁架＜154 mm，弧形桁架＜290 mm）。在本工程的施工過(guò)程中，通過(guò)嚴(yán)格執(zhí)行策劃方案，將分區(qū)施工和同步卸載、非同步卸載相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了卸載施工的全程可控，為后續(xù)類似工程積累了可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)。