某大舞臺鋼架拆除過程優(yōu)化技術

劉 星 楊 俊 張 斌

1. 上海建工五建集團有限公司 上海 200063；2. 上?？卵芙ㄔO發(fā)展有限公司 上海 200063

隨著人們對城市功能和需求的變化，越來越多的城市建（構）筑物需要更新。更新中的一項重要工作便是拆除，包括滿堂腳手架人工拆除、爆破拆除、大型機械拆除等，拆除過程中建筑物的質量變化、應力分布的分析計算，直接影響施工安全。由文獻[1]可知，上海浦東國際機場收費口待拆除雨篷為空間網架結構，分三段拆除，針對中間段跨度最大的部分下放進行有限元施工模擬，發(fā)現(xiàn)吊點位置斜腹桿有失穩(wěn)風險，故采取角鋼加固焊接措施；桂崢嶸等[2]通過對某機庫屋蓋網架整體提升進行有限元分析，對受拉力較大的下弦桿的球節(jié)點采取加強焊點焊縫質量抽查的措施，以保證結構在施工階段的穩(wěn)定性；某展館會展區(qū)采用空間大跨度桁架結構，針對其上弦桿連接板斷裂的事故采用有限元進行分析，發(fā)現(xiàn)在臨時支撐解除后，節(jié)點板的應力高達1 398.1 MPa，遠超出規(guī)范的341 MPa的要求[3-5]。因此，本項目的拆除有必要開展仿真分析工作，特別是對于周邊環(huán)境十分復雜、現(xiàn)場空間狹小等不利工況的應力變形分析，拆除前事先采用安全保障措施，確保工程順利結束。

1 工程概況

上海體育館因大賽需要升級改造，館內有一個可供演出的大型舞臺單體（圖1），建于1999年，用于懸掛舞臺燈光、舞美、裝飾、空調等設備。因現(xiàn)在舞臺位置改為看臺，原大型舞臺單體需要拆除廢棄。舞臺鋼構架平面尺寸為53.752 mh 35.453 m，頂標高為＋21.500 m，總質量約190 t，共由13榀縱向、9榀橫向平面管桁架組成。桁架一端支撐于E 軸的混凝土柱牛腿上，牛腿頂面標高為＋17.750 m，另一端通過2組錐形格構柱支撐于標高為－0.500 m的基礎面上。在距離地面7.450 m處有一個混凝土平臺，為保留結構。

圖1 上海體育館大舞臺構造示意

本工程拆除難度高，主要有以下幾個方面原因：

1）空間狹小，無法在場內外使用大型起重設備。頂部縫隙在20～40 cm之間，地面原有7.5 m平臺保留，舞臺中央有小基坑，體育館內部地面為地壟墻與木地板，無法承載大型起重機，只能使用25 t以下。

2）舞臺附屬設備體積大，滿堂腳手架高空散拆困難。舞臺附屬設備、風管、橋架等設備體積大，需要在高空先行拆除下放。另外，如果滿堂腳手架搭設約3.5萬 m3，桁架桿件質量在90 kg/m左右，需分割再下放。

3）倒錐形柱拆除時水平分力大，難以克服。

4）大舞臺鋼構架服役近30年，拆除過程中部分構件受力增加，安全隱患大。出于對上述施工難點的綜合分析考慮，最終決定采取 逆向同步下放、三次解體、五段拆除 的施工工藝進行拆除。

2 館內大舞臺單體逆序同步拆除綠色施工工藝

2.1 大舞臺單體的逆向同步下放工藝

本拆除施工工藝借助原舞臺鋼構架，在其基坑位置內設置2臺塔架，一側設置2臺三角支架，作為同步下放支撐結構架體；接著，在另外一側中部設置2套附墻垂直導向軌，以及在三角支架的立桿上設置2道簡易臨時導向軌，作為大舞臺鋼構架下放導向裝置。通過頂部液壓提升系統(tǒng)連接鋼構架上弦，鋼構架一側由牛腿支撐處解除受力，將結構重力荷載轉移至塔架處，割除倒錐形格構柱底部支撐，將其所支撐的大舞臺質量轉移到三角支架上，轉移后懸臂端處安裝導向軌引導懸臂端豎向滑移，提高下放時結構的穩(wěn)定性。通過動力裝置、牽引裝置、承載力轉換裝置，同步升降館內大舞臺單體，開展分段拆除和下放工作，直到拆除完畢為止（圖2）。

圖2 舞臺鋼構架整體下放施工方案

2.2 大舞臺單體的三次解體和五段拆除

大舞臺單體第1次拆除部分為牛腿支撐處鋼架邊緣圈，將承重荷載轉換至液壓提升系統(tǒng)處。鋼構架下放至保留混凝土平臺處時，解體第2部分鋼架，令剩余的第3部分鋼架可順利無阻礙地下放至地面拆除。大舞臺單體五段拆除是將倒錐形格構柱沿著豎直方向分5段拆除，在格構柱主肢上焊接牛腿并安裝支架支撐體系，通過液壓提升裝置與格構柱交叉替換承受結構重力。 三次解體 與 五段拆除施工相互交替進行，在第3段格構柱割除后，鋼構架降至保留平臺進行第2部分解體。待格構柱全部拆除后，解體第3部分鋼構架（圖3）。

圖3 舞臺鋼構架三次解體施工方案

3 鋼構架荷載轉換施工優(yōu)化分析

在施工工藝特點方面，主要圍繞拆除過程中引起大舞臺單體重心變化的現(xiàn)象進行仿真分析，篩選出大舞臺單體拆除過程中的5種不利工況，對應倒錐形格構柱沿豎向五段拆除的情形。按照圖紙進行結構計算，采用空間有限元程序SAP2000。本次提升的作用荷載即為網架結構自身的質量和風荷載，材料重度為78.5 kN/m3，基本風壓取0.4 kN/m2，豎向荷載的荷載分項系數(shù)為1.2，風荷載的分項系數(shù)為1.4，支座約束為提升吊點üüZ向固定、XY向彈簧。有限元分析結果顯示：

1）在第1階段，結構最大應力比為0.80，豎向位移為－23.50～2.46 mm，結構的臨界荷載安全系數(shù)最小值為2.4，大于1，滿足規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)要求，結構安全。

2）在第2階段，結構最大應力比為0.80，豎向位移為－24.05～2.46 mm，結構的臨界荷載安全系數(shù)最小值為2.4，大于1，滿足規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)要求，結構安全。

3）在第3階段，結構最大應力比為0.67，豎向位移為－71.99～5.40 mm，結構的臨界荷載安全系數(shù)最小值為9.6，大于1，滿足規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)要求，結構安全。

4）在第4階段，結構最大應力比為0.63，豎向位移為－72.60～5.45 mm，結構的臨界荷載安全系數(shù)最小值為9.8，大于1，滿足規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)要求，結構安全。

5）在第5階段，結構最大應力比為0.59，豎向位移為－85.50～6.55 mm，結構的臨界荷載安全系數(shù)最小值為10.1，大于1，滿足規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)要求，結構安全。

4 對薄弱構件的加固處理

4.1 加固點一仿真分析和現(xiàn)場應對措施

對大跨度鋼架結構的拆除，最重要的是防止鋼架在下放過程中局部屈服導致整體坍塌。在鋼構架開始拆除的過程中，鋼構架重力承載結構發(fā)生轉換，由原來的混凝土柱牛腿和倒錐形格構柱轉移到2臺塔架和2臺三角架，結構重力進行重分布，較為危險。用Midas軟件對此階段的大舞臺進行整體仿真分析和局部吊點分析（圖4）。

圖4 鋼構架荷載轉換施工模型

鋼構架采用梁單元模擬，格構柱處2個吊點僅約束Dx、Ry，格構柱底部全部固結。鋼構架僅受重力、風管等附加構件并按重力附加系數(shù)形式計算，重力安全系數(shù)取1.5。由于施工在室內，受風荷載影響較小，因此暫不考慮（圖5）。

圖5 鋼構架荷載轉換結構應力

16Mn鋼材強度設計值為295 MPa，在結構重力重分布后，在2組塔架與格構柱底部，鋼架構件出現(xiàn)較大應力，尤其是塔架處上弦桿，達到1 743 MPa，遠超出設計允許范圍，格構柱處最大應力為239 MPa。

針對計算結果，決定采取以下措施：在塔架吊點位置增加桁架加固裝置對鋼構架進行加固；格構柱焊接牛腿的主肢上焊接通長T形加固桿件及環(huán)形加勁板。從有限元輸出結果可見：提升下吊點最大應力為290 MPa，發(fā)生在錨固點局部，最大變形為5 mm。

4.2 加固點二仿真分析和現(xiàn)場應對措施

在模擬每段格構柱切除后的結構受力情況時發(fā)現(xiàn)，第5段格構柱拆除時，牛腿焊接在近鋼架與格構柱交接點上，受力復雜，為重點關注的施工階段。由于受到限位板與立架限制，牛腿處邊界僅釋放Rx。塔架處不再受懸臂端導軌約束，約束Dz及Ry。通過對格構柱第5段開始下放切割前狀態(tài)的模擬，發(fā)現(xiàn)在提升吊點處，格構柱主肢應力達到近600 MPa，格構柱最大位移為93 mm，說明鋼構架在此階段已處于失穩(wěn)狀態(tài)，局部節(jié)點不安全。鋼構架節(jié)點處為下桁架鋼管及斜腹鋼管的交接處，提升位置距離節(jié)點較近，節(jié)點處受力較為復雜，采用桿系分析方法無法計算節(jié)點實際受力情況，因此采用實體有限元模型進一步分析計算（圖6、圖7）。

圖6 格構柱第5段拆除施工結構應力

圖7 格構柱第5段拆除施工結構位移

在實體有限元模型建立中，所有桿件端部按固結計算，從4.2節(jié)的計算結果中提取提升點支反力，在牛腿處施加一個向上的400 kN提升力，考慮分項系數(shù)1.4。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，水平大圓管屈服，且受力復雜，受壓彎扭，前4段割除時牛腿后面是豎向鋼柱及桁架斜桿，抗彎剛度較大，抗壓由圓管全截面承擔。而最后一段節(jié)點，鋼管是水平的，壓力和圓管垂直，牛腿的偏心彎矩由水平鋼管抗扭承擔。節(jié)點鋼管變形處，最大應力為800 MPa，牛腿處最大位移為23 mm。

針對計算結果，制定了相應的加固方案：在牛腿環(huán)形肋板處增加豎向加勁板。加固后牛腿端部的位移減小為7 mm，最大應力為275 MPa，滿足設計規(guī)范要求（圖8）。

圖8 節(jié)點加固后受力分析

5 結語

本工程采取 整體下放、三次解體、五段拆除 的工藝進行拆除，面臨大舞臺單體的重心、位置和外形階段性變化復雜條件，傳統(tǒng)施工經驗難以應對。本工程對施工過程中的不利工況進行仿真分析，對鋼構架荷載轉換施工階段及格構柱第5段拆除吊點關鍵構件進行單獨分析，計算結果表明，塔架吊點處及格構柱底部應力較大，為此，對薄弱構件進行加固，優(yōu)化結構件，使結構受力滿足規(guī)范要求。此次實踐表明，有限元計算分析能有效發(fā)現(xiàn)在復雜環(huán)境下的施工過程中可能出現(xiàn)的安全隱患，指導現(xiàn)場及時采取應對措施，順利完成了拆除任務，同樣也為類似工程的施工提供了參考。