鋼丸砂箱卸載工藝在大型懸挑鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用研究

林作勝

上海建工七建集團(tuán)有限公司 上海 200050

常規(guī)的砂箱內(nèi)容物為石英砂，具有方便獲得、便宜可靠的優(yōu)點(diǎn)。但是在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，石英砂彈性模量較小，用量大，導(dǎo)致砂箱尺寸較大。在大荷載長(zhǎng)時(shí)間的作用下，容易板結(jié)，導(dǎo)致卸載時(shí)流不出砂。石英砂卸載時(shí)，需要輔助手段，砂子飛濺，污染大，且難以通過溢砂量推算卸載位移[1-5]。

針對(duì)這一問題，本文介紹了一種改進(jìn)的懸挑鋼桁架結(jié)構(gòu)砂箱卸載工藝并在大型懸挑鋼結(jié)構(gòu)工程中進(jìn)行應(yīng)用，通過使用鋼丸代替石英砂作為砂箱的內(nèi)容物，解決了石英砂砂箱存在的以上問題。砂箱支撐作用力穩(wěn)定、支撐作用力長(zhǎng)期有效，在卸載過程中，卸載步驟緩慢，對(duì)已形成的鋼桁架結(jié)構(gòu)沖擊小，卸載量可以按位移精確控制，既確保了結(jié)構(gòu)安全，又經(jīng)濟(jì)節(jié)約，為類似大型懸挑結(jié)構(gòu)施工提供了參考和思路。

1 工程背景

本文的研究依托上海臨港科技創(chuàng)新城A0202地塊建設(shè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目為一處地上18層、地下1層的商辦綜合體，由3棟塔樓和3座裙房組成。地上建筑面積約104 896 m2，地下建筑面積約41 835 m2，其中3座裙房均采用鋼桁架的結(jié)構(gòu)形式，最大懸挑長(zhǎng)度51 m（圖1），鋼材選用等級(jí)最高的Q420GJC-Z35，總用鋼量達(dá)到2萬 t。

圖1 懸挑結(jié)構(gòu)示意

裙房在兩處轉(zhuǎn)角和一處末端采用懸挑的結(jié)構(gòu)形式，裙房1為雙邊大懸挑結(jié)構(gòu)，最大懸挑長(zhǎng)度接近52 m，裙房2為雙邊大懸挑結(jié)構(gòu)，裙房3為單向大懸挑結(jié)構(gòu)。所有的懸挑結(jié)構(gòu)均采用高空分段拼裝的方法施工。鋼桁架懸挑結(jié)構(gòu)施工環(huán)節(jié)多，施工期間受力體系復(fù)雜，施工工藝和外部環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)初始內(nèi)力和變形有著非常顯著的影響，因此必須合理選定臨時(shí)支撐的卸載工藝，以確保卸載階段鋼桁架受力和變形穩(wěn)定變化，不發(fā)生突變。

2 大懸挑鋼結(jié)構(gòu)的鋼丸砂箱卸載工藝

2.1 鋼丸砂箱卸載工藝的提出

針對(duì)原有石英砂砂箱在工程使用中發(fā)現(xiàn)的問題，本工程采用鋼丸代替石英砂作為砂箱內(nèi)容物。表1對(duì)比了2種方法的特點(diǎn)。

表1 鋼丸砂箱與石英砂砂箱的對(duì)比

采用鋼丸代替石英砂，鋼丸為直徑基本一致的球形，使得砂箱在長(zhǎng)期支撐力的作用下，具有可靠的耐久性，且長(zhǎng)期作用下無徐變壓縮量，增強(qiáng)了砂箱作為臨時(shí)支撐的長(zhǎng)期可靠性。在砂漏上段下降進(jìn)行放砂操作時(shí)，溢砂流動(dòng)性好，對(duì)比傳統(tǒng)砂漏無硬結(jié)現(xiàn)象，卸載階段過渡平穩(wěn)。

2.2 鋼丸砂箱的設(shè)計(jì)

砂箱容器是由上、下2段圓柱殼體共同組成的可動(dòng)套筒，本工程采用外徑250 mm、壁厚10 mm的無縫鋼管，內(nèi)、外徑的裝配間隙控制在10 mm，既能使砂箱足夠貼合，具有一定的抗側(cè)能力，也可以避免因無縫鋼管的制作公差導(dǎo)致上、下端卡死。砂箱容器如圖2所示。

圖2 鋼丸砂箱容器

砂箱支撐截面應(yīng)根據(jù)支撐力的大小設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)選擇上、下段砂箱本體材料，確保安全可靠，且有足夠的裝配間隙；根據(jù)支撐需要的卸載位移量，確定砂箱本體高度，通常情況下，上、下段的活動(dòng)量（填砂高度）大于卸載位移量50 mm以上。典型的鋼丸砂箱剖面設(shè)計(jì)如圖3所示。

1月1日起，由國家稅務(wù)總局制定的《環(huán)境保護(hù)稅法》開始施行。環(huán)保稅法規(guī)定，應(yīng)稅大氣污染物的稅額幅度為每污染當(dāng)量1.2元－12元，水污染物的稅額幅度為每污染當(dāng)量1.4元－14元，具體適用稅額的確定和調(diào)整，可由各地人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)在法定稅額幅度內(nèi)決定。

圖3 典型的鋼丸砂箱容器尺寸設(shè)計(jì)

鋼丸砂箱的鋼丸可直接選用鋼材加工成常用的拋丸鋼丸，考慮到鋼丸的流動(dòng)性，宜選取直徑大于1.0 mm的統(tǒng)一規(guī)格的鋼丸，且鋼丸本身在承受一定荷載后，整體均質(zhì)性應(yīng)仍能保持完好，整體密度值基本不變。鋼丸放入砂箱容器后振動(dòng)預(yù)壓實(shí)。

在裝入砂箱前，應(yīng)測(cè)定鋼丸在一定容積內(nèi)的質(zhì)量，換算出鋼丸含間隙的可視密度，再根據(jù)已選擇的下套筒內(nèi)徑值及每次上套筒下降量，計(jì)算獲得各下降量對(duì)應(yīng)的流出鋼丸的質(zhì)量，方便現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作時(shí)通過測(cè)定質(zhì)量來確定各個(gè)砂箱的實(shí)際卸載量。在輔助振動(dòng)套筒外壁的情況下，可以將每步下降量精確控制在毫米以內(nèi)。

2.3 鋼丸砂箱的施工要點(diǎn)

鋼丸砂箱卸載的整體施工流程如圖4所示。

圖4 鋼丸砂箱卸載施工流程

鋼丸砂箱采用的鋼丸為噴射清理用金屬磨料，因此對(duì)含水量有較高要求，并要求無油。但是在實(shí)際操作中，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的使用環(huán)境，為便于溢砂操作，注入砂箱下段的鋼丸，需經(jīng)過一次浸油（廢機(jī)油）操作，鋼丸的填充量應(yīng)根據(jù)各支撐點(diǎn)預(yù)計(jì)的卸載量設(shè)計(jì)。

鋼丸砂箱容器安裝就位后，在容器兩側(cè)焊接連接加勁板，提高容器整體的剛度。

在鋼丸砂箱作為臨時(shí)支撐工作的階段，上、下套筒之間的間隙應(yīng)采用油泥封堵，并定期檢查砂箱所在的臨時(shí)支撐頂緊情況，定期記錄砂箱總體高度，避免發(fā)生砂箱失效的情況。完成鋼桁架結(jié)構(gòu)安裝，并全數(shù)檢測(cè)確認(rèn)各構(gòu)件單元已按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行連接，具備臨時(shí)支撐卸載條件后，可準(zhǔn)備溢砂卸載。

砂箱卸載階段，割除砂箱兩側(cè)的加勁結(jié)構(gòu)，使得上部荷載完全作用在砂箱頂端。根據(jù)預(yù)設(shè)置的卸載步驟，結(jié)合每步溢砂質(zhì)量，開啟砂箱底部閥門，根據(jù)預(yù)設(shè)質(zhì)量溢砂，直至砂箱上段支撐面同上部結(jié)構(gòu)脫離，即完成臨時(shí)支撐的卸載工作。

卸載階段，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，以不同部位的支撐單次下降量作為卸載過程的主要控制指標(biāo)，并以此數(shù)據(jù)控制單個(gè)砂箱的下降量，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)支撐的逐步卸載，從而使整體荷載由結(jié)構(gòu)自身平穩(wěn)承受。整個(gè)卸載應(yīng)按照以下原則設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換引起的內(nèi)力變化應(yīng)是緩慢的；在卸載過程中，結(jié)構(gòu)各桿件的內(nèi)力應(yīng)在彈性范圍內(nèi)并逐漸趨近設(shè)計(jì)狀態(tài)；在卸載過程中，各臨時(shí)支撐點(diǎn)的卸載變形應(yīng)協(xié)調(diào)；卸載過程中，應(yīng)避開不適宜的環(huán)境狀況，如大風(fēng)、雨雪天氣；卸載過程應(yīng)易于調(diào)整控制、安全可靠。

3 鋼丸砂箱卸載工藝的環(huán)境影響分析

由于本工程鋼桁架懸挑跨度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此必須確保整個(gè)卸載階段鋼桁架的內(nèi)力和變形都處于受監(jiān)控狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)施工中，對(duì)整個(gè)鋼桁架的溫度、應(yīng)力應(yīng)變和變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。整個(gè)卸載過程的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：在支撐釋放前，用全站儀測(cè)量各節(jié)點(diǎn)和徑向桁架跨中的初始狀態(tài)參數(shù)；根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，布設(shè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在構(gòu)件一端設(shè)置全站儀，監(jiān)測(cè)構(gòu)件位移；在支撐釋放過程中，測(cè)量每級(jí)釋放結(jié)束后的各監(jiān)測(cè)參數(shù)，并及時(shí)提交指揮人員，判斷釋放過程的結(jié)構(gòu)安全性；在支撐釋放后3 d內(nèi)，對(duì)各監(jiān)測(cè)參數(shù)繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并做好記錄；在釋放過程中，發(fā)現(xiàn)沙漏下降量超過預(yù)定值時(shí)，立即停止，尋找原因，采取對(duì)應(yīng)措施，確保釋放安全。

典型的鋼桁架及鋼支撐應(yīng)力應(yīng)變測(cè)定結(jié)果如圖5所示。

圖5 鋼丸砂箱卸載階段1#裙房構(gòu)件及支撐應(yīng)力演化特征

結(jié)合卸載前數(shù)據(jù)分析結(jié)果，桁架結(jié)構(gòu)整體受力穩(wěn)定，無應(yīng)力變化較大的情況發(fā)生，可認(rèn)為卸載前結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)；卸載過程中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，卸載過程結(jié)構(gòu)受力基本穩(wěn)定，卸載完成時(shí)由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布，構(gòu)件應(yīng)力產(chǎn)生突變，但突變值較小；之后結(jié)構(gòu)受力趨于穩(wěn)定。應(yīng)力變化趨勢(shì)與施工過程相符。鋼支撐在卸載過程中受力穩(wěn)定，卸載完成時(shí)由于應(yīng)力釋放產(chǎn)生突變值，但突變值較小；之后至支撐移出現(xiàn)場(chǎng)前受力穩(wěn)定。由此可見，鋼丸砂箱卸載工藝是一種可靠、穩(wěn)定的鋼桁架結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐卸載工藝。

4 結(jié)語

鋼桁架是一種適用于大跨度懸挑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，考慮到鋼桁架自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，施工時(shí)往往采用分段安裝的方式。本文研究了鋼丸砂箱卸載工藝在大型懸挑鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用，總結(jié)了工藝要點(diǎn)，并結(jié)合砂箱卸載階段對(duì)鋼桁架結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐進(jìn)行監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了該工藝在大型懸挑鋼結(jié)構(gòu)施工中的可行性，為類似工程提供了參考。

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